科罗拉多大学的叶军（Jun Ye）与Hidetoshi Katori共同荣获2022年基础物理学突破奖（Breakthrough Prize in Fundamental Physics），以表彰他们在光学晶格钟方面的开创性研究。叶讲述了时钟的历史和他的未来计划。
原文刊登于：《Nature Photonics》
https://www.nature.com/articles/s41566-021-00940-6
你何时在什么机缘下开始考虑光学晶格钟？
这要感谢我的导师扬·霍尔（Jan Hall）等人。中性原子和俘获离子研究领域有很多英雄，例如朱棣文（Steve Chu）和法国的克里斯托夫·所罗门（Christophe Salomon）。20 世纪 90 年代末初期，我在想，如果我们想建造一个基于中性原子的光学原子钟，那么就必须想出一种方法来捕获它们。我有幸与Jan和Ron Drever一起工作，受益匪浅，他们教会了我很多关于稳定激光器以及在测量科学中追求精度的艺术。我还从LIGO（激光干涉仪引力波天文台）项目中获得了很多灵感。20世纪90年代末，我成为加州理工学院Jeff Kimble的博士后，研究腔QED（量子电动力学）。他教了我很多关于量子光学和量子测量的知识。正是由于这种研究经验的结合，当我于1999年底在 JILA（科罗拉多大学和国家标准与技术研究所 (NIST) 的联合研究所）成立自己的研究小组时，我决定要建立一个光学系统原子钟，因为它围绕着我对光与物质相互作用的兴趣，特别是基于超冷原子和激光精密测量的物质量子控制。
那么光学晶格钟的想法是如何产生的？
当时出现了许多关键想法。 
首先，Jan Hall和Ted Hansch刚刚开发出了稳定的光学频率梳，它提供了关联光学频率和微波频率的方法。这显然是一项伟大的技术。 
其次，当我在加州理工学院时，我正在研究一个在高精度光学腔中间光学捕获单个原子的项目，以尝试为Jeff在腔 QED 方面的工作实现强耦合量子系统。一个想法是建立一个由光纤连接的此类系统的网络，我对此感到非常兴奋。Jeff让我做一个实验——你能用光陷阱在腔体中间捕获一个原子，这样我们就可以根据需要打开和关闭量子相互作用。因此，我们实际上进行了相当多的实验，并试图找到一种光学捕获该原子的方法，但是当我们在量子态之间操纵它时，必须设计一个陷阱，两个量子态在陷阱中具有类似的AC Stark位移，否则操纵时原子处于基态和激发态之间将遭受量子退相干的影响。这实际上是“神奇波长”捕获（'magic wavelength'trapping）想法的开始，你必须找到一个特定的光学波长，使得两个量子态具有相同的AC Stark能级位移。这非常重要。当然，香取在东京大学也在思考类似的事情。 
第三件事是激光稳定性：当时有一些关于以对称方式支撑腔体的新想法，你会找到一种特殊的支撑配置，使整个光学谐振腔对周围的振动噪声变得不敏感，这样就可以构建更好的稳定的激光。
因此，尽管还没开始建造任何东西，但所有这些想法的结合确实给了我信心，让我相信我们可以做到这一点。好了，微波和光学频率可以连接起来，高度稳定的光学激光器具有远远超过1s的相干性，并且原子可以被限制在不区分基态和激发态的陷阱中。如果你把所有这些组件放在一起，你可能会得到一个基于中性原子的非常奇妙的光学时钟。
实现这个钟的过程中，遇到了什么挑战？
我知道这将是一项长期研究。你必须从几个方面采取行动。你必须建造一个稳定的激光器，你必须建造一个光学频率梳，你必须建造一个超冷原子系统。制作一个时钟需要所有这些，我觉得我们必须对所有这些进行研究。另一件事是建立一支非常出色的学生团队并拥有长远的愿景。
尽管当然存在很多技术挑战，但事情实际上进展得比我预期的要快。第一个是激光。把它建成我们信心是有，但得去做。任何机械系统都有损耗，损耗与耗散相关，从而引起波动，并且光学干涉仪的稳定程度存在基本限制。LIGO正在解决这个问题。对我来说，一个关键的突破是与德国PTB的一群科学家合作开发了一个低温硅腔，它的相干时间可以达到数十秒。这是一项非常了不起的技术，花了近20年的时间才开发出来。我非常自豪地回顾当时唯一实现赫兹级稳定性的稳定激光器是NIST的Jim Bergquist系统，但它使用了非常专业的光学平台等。如今，我们的激光器线宽仅为10mHz，这是巨大的进步。另一个挑战是原子本身，需要时间来学习如何使锶原子真正变冷。当时，世界上只有三个小组正在研究锶原子——我们、Katori和法国的一个小组。我们早期的许多论文都是关于如何冷却和捕获锶原子，后来又讨论了如何创造大量的锶原子以加载到一维、二维或三维光学晶格中。我们还致力于实现量子简并，即每个原子的德布罗意波开始重叠。原因是因为我们希望这些原子的熵非常低，这样当我们加载晶格时，它们完全占据量子态，并且没有热平均，一切都是量子态解析的。在实际的时钟运行过程中，我们还必须解决黑体辐射和背景电磁场的问题。
当今最先进的时钟是什么，有什么应用？
时钟具有巨大的实用价值，例如在导航和通信应用中。国际社会提出的目标之一是重新定义“秒”——我们所说的量子SI（国际单位制）。这需要国际社会密切协调，共同建造和比较先进的光学时钟。这些时钟最让我兴奋的是突破极限并利用它们探索量子物理学和宇宙学。我的团队一直在问：我们能否制造出不仅可以测量10^-18秒，而且可以测量10^-19、10^-20甚至 10^-21秒的时钟？这些数字之所以变得重要，尤其是 10^-21，是因为这是我们想要打破的一个有趣的障碍。从1×10^–21开始，可以测量10微米尺度的引力红移。如果能测量那个尺度的时空曲率，我知道我可以冷却我的原子，使它们的德布罗意波长跨越几微米，这样你就进入了量子机械波跨越弯曲时空的状态。当然这种情况一直在发生，但现在我们能够感觉到它。你可能必须从一开始就结合相对论效应来编写量子力学。你必须以一种与爱因斯坦广义相对论完全一致的方式来对待系统的哈密顿量。我们正在努力制造非常精确的时钟，以便可以深入观察时空曲率、引力波甚至暗物质等现象。
时钟的实际应用？
问题是如何将时钟带出实验室，因为如果您的灵敏度为 10^-21，您现在就可以使用这些时钟并执行诸如使用相对论大地测量学（relativistic geodesy）测量海平面变化之类的操作。我知道Katori教授也一直在从事这方面的工作，这样的工具可以提供实时相对论大地测量。
我认为我们现在需要的是技术突破，以便能够设计出强大的工具可以在实验室外建造这些时钟。我们需要改进很多东西，例如激光器一直是一个薄弱部件，我们需要建造更好、更强大的激光器。社区正在对此做出回应，推出新的光纤激光器。我们还需要将这些激光器集成到便携式设备中，我们需要提供强大的冷原子源，以便其商业化。
看看John Kitchin在NIST开发的微波芯片级时钟：其性能可能远不及最先进的光学时钟，但在这种灵敏度水平下，您仍然可以为不同的应用做很多事情。例如，想象一下，如果将一个由1000个网络组成的网络放置在海底或黄石公园等火山地区，可以看到地面的拓扑变化，可以更好地监控我们的环境并了解地球的情况 改变自己。我们确实需要更好地了解正在发生的事情，而时钟可能是一项关键技术。
你怎么看使用集成光学来缩小光学时钟？
这将是一项关键技术。我们自己并没有致力于这个问题，但NIST和圣巴巴拉有一些团体一直在讨论建造激光器，以便把一切集成到同一个平台上。你可以想象最终连冷原子源也可以集成在芯片上。芯片即便设法做到像约翰·基钦（John Kitchin）那样的小芯片，哪怕是笔记本电脑大小，也比我现在实验室里的好。我认为这个领域正在朝这个方向发展，且最近量子光学领域的活动将为我们提供帮助。
到目前为止我们还没有利用量子纠缠。纠缠非常脆弱，但我们希望产生纠缠，保护它并在时钟中应用它：这样就能构建更小的系统并提升我们的测量。这是未来非常令人兴奋的方向。我喜欢量子科学和测量精度相结合的科学事业。这又回到了 LIGO。自20世纪80年代以来，人们一直在谈论压缩光态，迄今为止，压缩光态唯一真正的优势是在LIGO中，它帮助增加了宇宙的体积，让搜索黑洞的体积提高八倍 。我们的例子中，我们正在考虑如果我们有1000个原子并创建一个所谓的自旋压缩态，那么你就会拥有量子相关性并使性能变得越来越好。我真正想做的是证明这种量子纠缠可以帮助使最好的时钟变得更好，就像LIGO已经拥有最好的干涉仪但使用压缩光态来使其变得更好一样。
我们不需要英雄
但我们需要榜样
几只青椒
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