近日，美国麻省理工学院研究团队利用量子纠缠现象设计出一款新型原子钟，如果其持续运行140亿年（大约是当前宇宙的年龄），这款原子钟的时间精度将保持在十分之一秒内。换句话说，如果说让这台原子钟从宇宙诞生之初就开始“滴答”走动，那么直到今天它产生的时间误差也会在0.1秒内。
时间，以完美的线性和连续性展示着客观世界的变化。星辰四季，日晷钟表，人们擅于利用周期性现象来记录时间，也推动计时一步步走向宇宙本源。中国科学院国家授时中心徐琴芳助理研究员告诉《科技周刊》记者，1820年人类依据地球自转周期第一次科学的定义了秒长“平太阳秒”，地球自转一圈是一天，也就是等于86400秒，因此1天的86400分之一就被定义为“1秒”。但由于地球自转频率不稳定，直接受潮汐等自然现象的影响，其精度是3年差1秒。为了寻找更稳定的时间计量单位，1960年，人类利用地球公转周期导出了时间基本单位“历书秒”，其精度是30年差1秒。“历书秒”使用近7年后，人类发现了更稳定周期性运动——原子的振荡周期，即根据原子跃迁时发射或吸收电磁波的周期导出时间基本单位，定义出“原子秒”，1967年“原子秒”取代了“历书秒”。“原子钟的问世是人类计时史上的一次重大革命，它使得计时标准从天文学的宏观领域转向了物理学的微观领域，从此由‘天文秒’时代进入‘原子秒’时代。” 徐琴芳说。
“守时冠军”原子钟的工作原理是怎样的？量子物理发现，原子内部存在着一些分立的能态，当原子中电子从一个能态“掉落”到低能态时，它便会释放电磁波。徐琴芳解释，这种电磁波的特征频率对应了分立能态之间的能量差，理想情况下是固定不变的，又称为“原子的固有共振频率”。原子跃迁时发射或吸收的电磁波频率是由高度确定的，所以据此设计出的原子钟可以走得极为均匀。因此，科学家们利用原子中电子能级跃迁时的共振频率作为精确的时间标准，这就是所谓的原子钟。“说到底，原子钟就是利用原子中电子轨道做的原子单摆。”
那么，我们是如何追踪原子震荡的呢？徐琴芳表示，在实验上，我们将激光的频率锁定到某种原子或者离子的跃迁上，这样一来，激光的频率同原子、离子的跃迁频率保持一致，跟踪原子的钟跃迁频率，高稳定的激光频率便能够担当电子钟表中“晶振”的角色，以此来计时。
据了解，目前原子钟可以分为两大类，分别是微波钟和光钟。“具体来说，以原子的微波波段共振频率作为时间频率基准的原子钟就是‘微波钟’，比如被大家熟知的铯原子喷泉钟；同理，以原子的光学波段共振频率作为时间频率基准的原子钟则被称为‘光钟’，例如目前研究领域最炙手可热的锶原子光钟。”徐琴芳进一步解释，光钟的工作频段比微波钟的工作频段高4到5个数量级，因此有潜力达到比微波钟更高的精度。现在的微波钟精度在10-16，而光钟精度已经进入了10-18，比目前最好的喷泉钟还要高两个数量级。
在日常生活中，时间精确到秒常常就足以满足我们日常所需，但是在人类探索更深层次的自然规律、进行基础科学研究的过程中，则更需要高精度的时间保障。比如体育竞技赛事中百分之一秒的差距就决定胜负；炮弹的发射在千分之一秒内发生的，时间测量要精确到0.001秒；雷达技术甚至需要精确到百万分之一秒。徐琴芳表示，时间频率基准的精度是反映一个国家战略竞争力的重要标志之一，高精度时间频率标准在全球定位系统、精确打击武器、信息高速公路等方面起着关键的作用。以北斗卫星导航为例，其卫星定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据定位接收机的具体位置。“时间测得越准，相应的位置定位就越准。因此用更高准确度的时间频率标准能够使北斗卫星定位精度大幅提高。”
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