ILA物理学家为原子钟创造了一种全新的设计，其中锶原子被填充到一个微小的三维(3-D)立方体中，其密度是先前一维(1-D)时钟的1000倍。在这样做时，他们是第一个利用所谓“量子气体”的超控制行为来制造实用测量装置的人。

由于有如此多的原子完全固定在原位，JILA的立方量子气体时钟创造了一个名为“品质因子”的值和由此产生的测量精度。较高的品质因数转化为原子与用于探测它们的激光之间的高度同步，并使时钟的“滴答声”在非常长的时间内保持纯净和稳定，从而实现更高的精度。

到目前为止，高级时钟中数以千计的“滴答”原子中的每一个都表现出来并且在很大程度上独立地测量。相比之下，新的立方量子气体时钟使用全局相互作用的原子集合来约束碰撞并改善测量。这种新方法有望在基于受控量子系统的许多领域引领显着改进测量和技术的时代。

新时钟在10月6日出版的“ 科学”杂志中有所描述 。

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家Jun Ye说：“我们正在进入一个非常激动人心的时刻，我们可以为特定的测量目的量子化工程状态。” Ye在JILA工作，由NIST和科罗拉多大学博尔德分校共同运营。

时钟的核心是一种不寻常的物质状态，称为退化的费米气体(费米粒子的量子气体)，最初由叶的已故同事Deborah Jin于1999年创建。所有现有的原子钟都使用了热气体。量子气体的使用使得所有原子的特性首次被量化或限制为特定值。

“三维量子气体钟的最重要的潜力是能够扩大原子数，这将导致稳定性的巨大增长，”叶说。“而且，我们可以达到运行时钟的理想条件，它具有完整的相干时间，这是指一系列刻度可以保持稳定的时间。扩大原子数和相干时间的能力将使这一新一代时钟在质量上与上一代不同。“

到目前为止，原子钟已将每个原子视为一个单独的量子粒子，原子间的相互作用构成了测量问题。但是，一个工程和控制的集合，一个“量子多体系统”，将所有原子以特定的模式或相关性排列，以创造最低的整体能量状态。无论原子添加多少原子，原子就会相互避开。原子气体有效地将自身变成绝缘体，阻挡了成分之间的相互作用。

结果是原子钟可以胜过所有前辈。例如，稳定性可以被认为是每个刻度线的持续时间与每个其他刻度匹配的精确程度，这与时钟的测量精度直接相关。与Ye以前的1-D时钟相比，由于原子数​​量大，相干时间更长，新的3-D量子气体时钟可以达到相同的精度水平20倍以上。

实验数据显示，3-D量子气体时钟在大约2小时内达到了10个五分之一(1个后跟19个零)的3.5个误差的精度，使其成为第一个达到该阈值的原子钟(19个零点)。“这比之前的任何演示都有显着改善，”Ye说。

迄今为止，JILA时钟的旧版1-D版本是 世界上最精确的时钟。该时钟将锶原子保持在由激光束形成的线状阵列的薄饼形陷阱中，称为光学晶格。新的3-D量子气体时钟使用额外的激光沿三个轴捕获原子，使原子保持立方排列。这个时钟可以保持稳定的嘀嗒声持续近10秒，其中10,000个锶原子被捕获，密度高于每万亿立方厘米10万亿原子。将来，时钟可以一次探测数百万个原子超过100秒。

光学晶格时钟尽管在1-D中具有高水平的性能，但还是需要进行权衡。通过增加原子数可以进一步提高时钟稳定性，但更高的原子密度也会促使碰撞，改变原子滴答的频率并降低时钟精度。相干时间也受到碰撞的限制。这是多体相关的好处可以帮助的地方。

3-D晶格设计 - 想象一个大蛋盒 - 通过将原子保持在适当位置来消除这种权衡。原子是费米子，一类不能同时处于相同量子态和位置的粒子。对于在这个时钟的工作条件下的费米量子气体，量子力学有利于一种配置，其中每个单独的晶格位置仅由一个原子占据，这防止了由1-D版本的时钟中的原子相互作用引起的频移。

JILA研究人员使用超稳定激光器实现原子与激光器之间的同步记录，达到创纪录的5.2千万亿(5.2后跟15个零)的品质因数。品质因数是指振荡或波形可以持续多久而不会消散。研究人员发现原子碰撞减少了，因此它们对时钟频率变化的贡献比以前的实验要少得多。

“这种使用量子气体的新锶钟在'新量子革命'的实际应用中是一个早期且惊人的成功，有时也被称为'量子2.0'，”NIST量子物理部门负责人托马斯·奥布莱恩说道。主管。“这种方法为NIST和JILA提供了巨大的希望，可以将量子相关用于广泛的测量和新技术，远远超出时间。”

根据测量目标和应用，JILA研究人员可以优化时钟的参数，例如操作温度(10到50纳克尔)，原子数(10,000到100,000)和立方体的物理尺寸(20到60微米，或百万分之一米) )。

原子钟长期以来一直在推进测量科学的前沿，不仅在计时和导航方面，而且在其他测量单位和其他研究领域的定义中，例如在宇宙中缺失的“暗物质”的桌面搜索中。