量子頻率標準

量子頻率標準（quantum frequency standard）是指利用原子內部穩定能級的量子躍遷頻率做成的信號源。頻率和時間的計量標準器具。原子鐘是指那些能連續運轉，對原子內部的躍遷頻率信號進行周期積累計數，從而能給出秒、分、小時等時刻信號的原子頻標。

原子量子躍遷吸收或發射的電磁波頻率決定於原子的上下能級的能量差E_n－E_m=hν₀，ν₀是躍遷 中心頻率，h是普朗克常數。由於原子內部能態不易受外界干擾，躍遷頻率高度穩定，所以量子頻標用這種躍遷頻率作為參考標準來鎖定信號源的 電磁振盪（包括光）的頻率。

基本介紹

• 中文名：量子頻率標準
• 外文名：quantum frequency standard
• 特徵：原子能級量子躍遷頻率做成信號源
• 起源：量子頻標起源於波譜學研究

發展簡況

量子頻標起源於波譜學研究。20世紀40年代，在氣體波譜學研究中人們發現某些物質的波譜譜線不僅頻率穩定，而且寬度很窄，可用以鑑別信號源頻率的微小變動。1948年，美國國家標準局開始以氨分子的反演吸收線（v₀=23870兆赫）來控制無線電振盪頻率的分子頻率標準。1954年發明氨分子微波激射器，其振盪信號具有極高的頻譜純度和頻率穩定性，很快被用作頻率標準（見量子電子學）。1955年，英國國家物理研究所用銫原子基態超精細躍遷譜線來自動鎖定石英晶體振盪器的銫原子頻標出現。1960年雷射問世以後，用單色性雷射信號作光頻頻率標準有了可能。在高性能穩頻雷射器和光頻測量研究的基礎上，人們正在研究新的光頻標準。

工作原理

量子頻標按作用原理可分為被激型和自激型兩種。

被激型頻標

被激型量子頻標的工作原理由量子躍遷檢測裝置、受控頻率信號發生器（一般為石英晶體振盪器）、頻率變換裝置和電子自動控制裝置組成。信號發生器產生標準頻率輸出信號，同時通過頻率變換裝置提供合適頻率的電磁振盪，以激勵原子系統的量子躍遷。躍遷信號與激勵頻率的關係呈以中心頻率為ν₀的共振光譜線形狀。正常情況下標準頻率產生的激勵信號頻率正好落在中心頻率上。當信號發生器頻率發生變化時，激勵信號頻率偏離中心頻率，檢測裝置根據檢測到的躍遷信號來判別激勵頻率偏離中心的方向與大小，給出誤差信號，通過自動控制裝置使信號頻率糾正到正確位置，保證輸出頻率不變。銫原子束和銣氣室頻標都是這樣工作的。

量子頻率標準

自激型頻標

自激型頻標依靠微波受激發射放大產生頻譜極窄的受激輻射信號。量子躍遷檢測裝置接收這種信號，並與受控信號發生器產生的經頻率變換而得的激勵信號進行相位比較，得到誤差信號，用以調整輸出頻率，使之保持不變。氫激射器屬於這一類。

量子頻率標準

雷射問世以後，已經出現了利用某些物質的可見光波段的吸收譜線來穩定雷射頻率的方法，為可見光波段的頻率標準顯示了前景。

性能指標

量子頻標的主要性能指標是頻率準確度和穩定度。①頻率準確度指頻標輸出頻率與標稱頻率的接近程度，用相對頻率偏差δν/ν₀表示。頻率偏差來源於原子能級受外界干擾引起的輕微移動，以及控制過程的誤差。頻率基準的準確度由對各種干擾因素引起的頻移值的理論評價而獨立得到，次一級頻標的準確度可與上一級頻標比對校準而得。頻率基準都用實驗室銫原子頻標，銫原子噴泉頻標具有最高的準確度，達到1×10。②頻率穩定度指一定取樣時間內平均頻率隨時間的相對變化。以取樣時間長短劃分短期穩定度和長期穩定度，取樣時間長短劃分沒有絕對界限。頻標的短期頻率穩定度主要受頻標內部噪聲限制，可用相位噪聲譜密度來表示，但通常用頻率變化的方差來描述；長期穩定度則主要決定於環境因素的變化和頻標物理參量的衰變。③其他次要指標有頻率漂移率 、復現性、頻率溫度係數等。

量子頻率標準

套用

量子頻標作為精密、準確的頻率和時間測量標準，套用十分廣泛，主要有：①是時間頻率量的計量工具，原子鐘是守時設備的核心。連續運轉的量子頻標（原子鐘）已作為主要的守時工具，與天文守時手段互相補充。量子頻標的時間頻率計量具有最高的準確度與精密度，因此有儘可能把其他物理量轉換為時間頻率量來進行測量的趨勢，如長度單位“米”、電壓單位“伏”和電阻單位“歐姆”都通過頻率來確定，根據光速的確定數值以統一長度和時間的計量基準已經實現，因此量子頻標在計量中具有基礎性的地位。②量子頻標對天文觀察、大地測量、精密測定基本物理常數和原子、分子的能級結構，探討物理常數是否隨時間變化，檢驗相對論和量子電動力學等物理理論具有重要意義。③量子頻標對導航、通信、電視、火箭制導、衛星跟蹤、電網調節、精密儀器校準、交通管制等現代技術都發揮著重要作用。統一、自主的時間頻率體系是保障社會生產正常運行和國防安全的命脈。

量子頻率標準

研究進展

為了實現高水平的量子頻標，需要進行物理、技術的整體研究，主要有：①選擇特殊的原子及其能態要求它們穩定而不易受干擾，易於製備和檢測。射頻頻標使用的原子（分子）基態，可利用不同能態原子所帶有的不同磁（電）矩，在不均勻磁（電）場中運動軌跡的不同而選擇得到，或利用合適頻率和偏振的光使某些原子能級發生選擇激發，然後把原子集中到特定基態；光頻標常使用原子亞穩能級，一般用光抽運方法製備原子態。檢測躍遷原子的方法與選態方法相似，也可利用不均勻磁/電場或光的選擇激發檢測特定原子態，再用電離或螢光等方法檢測原子。②頻標的準確度與穩定度性能的研究，如各種能級位移和躍遷頻率移動的物理機制，確定頻移與其產生的物理因素之間的數量關係，探索縮小和消除頻移的方法。採用原子束、雷射冷卻與囚禁原子、離子儲存等方法可縮小頻移。③頻標的頻率穩定度隨共振譜線寬度的縮小而提高，以方差平方根表示的穩定度：

量子頻率標準

σ_γ(τ)=KΔv/(S/N)v₀τ，式中K是常數，與具體頻標裝置有關，S/N是譜線的信噪比，依賴於原子選態和檢測方法。在一些頻標中，延長原子與輻射場相互作用的時間對壓縮譜線寬度十分有效。一種方法是利用相干輻射場多次與原子相互作用來完成一次能級躍遷（N.拉姆齊分離場技術），這過程中的量子干涉效應可以在單個共振譜線上出現多個干涉峰，從而大大壓縮線寬。④量子頻標必須把原子產生的標準信號頻率，保持穩定和準確地轉換到與待測頻率相接近的頻率，以進行精密和準確的測量。射頻波段的電磁波頻率變換已成為常規技術，但仍有許多研究和改進的餘地。光頻段的頻率變換，發明了基於飛秒鎖模雷射器的光頻梳狀發生器，其頻率間隔可嚴格鎖定在射頻信號上，完成了光頻和射頻的連結。這是電磁波頻率變換上的革命，由此實現了光頻標（光鐘）。