原子钟的精度为什么比传统时钟更高？

所有计时工具的最重要一点，就是无论外界激励场如何变化，输出都是固定不变的。

比如最早的沙漏和水漏，就是无论上面的水多还是少，小孔流速都只跟高度，也就是刻度有关。唐朝时为了进一步精确计时，发明了四级漏，就是利用四层的水漏装置，确保流速一定。宋朝更是发明了水运仪象台。

钟摆的原理也一样，它的摆动周期与摆球的质量无关，无论重还是轻，只要长度一定，则都是同样的周期。

但这些装置并非真正的 parameter free。它们都只是把重力因素去掉，但没有去掉长度因素。水漏的刻度，单摆的摆长，甚至发条宝塔轮的半径，都是计时误差的主要来源。只不过长度相对而言比较容易控制，所以就成为传统计时的主要方案。

第一次重大突破是利用固体的简正频率。正如刚体力学描述的，所有固体材料都有自己的一系列固有振动频率，这是解弹性的本征方程解出来的。

其中，二氧化硅石英晶体由于结构简单，硅与氧容易形成偶极作用，振动频率较为单一，只要输入合适的激励电场，就能激发出想要的振动频率，并利用这个频率来准确计时。

这个装置主要利用了电偶极相互作用，关键在于晶格常数要尽量固定不变。而石英是自然物质中热胀系数最低的，几乎不受温度影响，这是其能作为计时工具的主要原因。

即便已如此精确，微小的杂质浓度、热涨落等，仍会对计时准确性造成干扰。因为空间尺寸这个因素只是被削弱，并未得以消除。

在经典力学框架内，时空脱耦是从原理上就不可能实现的，所以计时精度的提升始终只能小步慢跑。

量子力学登场，情况发生逆转。时空自由度彻底成为两个独立自由度，计时才能真正实现 parameter free。

我们现在所采用原子钟，利用的就是著名的 Rabi 振荡。假设我们能设计一个二能级系统，在旋转波近似下，系统在这两个能级间以确定的能级间距作为振荡频率，可以无休止地一直振荡下去，且与任何参数无关。

原理很简单，接下来无非是找到一个 well defined 的二能级系统。

很容易想到的是光激发形成的基态和激发态。但并不是，因为材料分子会有振动，你以为的基态激发态，实际上可以包含 0-0、0-1 等各种细致的声子激发峰。

类似的还有其它量子受限系统，比如量子点、NV 色心等，它们虽然也能构成二能级，但仍不可避免受线性谐振子干扰。

所以利用超精细的微波操控几乎是必然选择，这就是现行的铷原子钟和铯原子钟的主要机制。

为什么是铷和铯，一是因为它们熔点低，手一握就熔化了，真空瓶中容易稀释成气体。二是它们的外层电子极其活泼，几乎不受原子实影响，环境非常干净。三是只有单个价电子，好找精细能级，没有信号重叠的区域。

我常说，量子计算是在创造新物质。原子钟作为了不起的发明，也算是量子调控改变人类的第一个成功应用。未来随着量子计算的更多应用出现，类似这种精确的工具只会越来越多的。