我們衡量時(shí)間的方式，可能很快就要發(fā)生改變。

目前，全球通用的協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）是由分布在全球近 85 個(gè)實(shí)驗(yàn)室的大約 450 臺原子鐘共同計(jì)算得出的。這套體系運(yùn)行穩(wěn)定，但它所依賴的秒的定義，正面臨一次潛在的更新。

來自澳大利亞阿德萊德大學(xué)的研究人員，聯(lián)合美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和英國國家物理實(shí)驗(yàn)室，對下一代時(shí)間計(jì)量技術(shù)的未來進(jìn)行了系統(tǒng)回顧。

他們的結(jié)論是，光學(xué)原子鐘已經(jīng)發(fā)展到足以挑戰(zhàn)現(xiàn)有秒定義的階段。

這項(xiàng)綜述論文已發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Optica》上。

光學(xué)原子鐘正接近成為新標(biāo)準(zhǔn)

研究團(tuán)隊(duì)指出，光學(xué)原子鐘的技術(shù)進(jìn)步速度極快。如果若干關(guān)鍵技術(shù)問題能夠解決，它們在未來幾年內(nèi)有望成為全球時(shí)間計(jì)量的新“黃金標(biāo)準(zhǔn)”。

阿德萊德大學(xué)光子學(xué)與先進(jìn)傳感研究所的 Andre Luiten 教授表示，過去十年里，光學(xué)原子鐘的性能提升非常顯著。

它們的精度已經(jīng)超過了目前最先進(jìn)的微波原子鐘，并且開始具備走出實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的能力，而這恰恰是傳統(tǒng)原子鐘難以做到的。

光學(xué)原子鐘是如何工作的

光學(xué)原子鐘通常基于被激光冷卻并困在特定裝置中的原子或離子。

當(dāng)科學(xué)家用激光反復(fù)探測這些原子時(shí)，原子只會在一個(gè)極其穩(wěn)定、特定的光學(xué)頻率上發(fā)生響應(yīng)。這個(gè)頻率可以被轉(zhuǎn)化為極其精確的“滴答”，從而用于計(jì)時(shí)。

正是這種對原子躍遷頻率的極端控制，使光學(xué)原子鐘成為目前人類制造過的最精密測量工具之一。

從實(shí)驗(yàn)室研究走向國際時(shí)間體系

論文回顧了過去十年光學(xué)原子鐘在關(guān)鍵技術(shù)上的進(jìn)展，同時(shí)也總結(jié)了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)以及潛在的應(yīng)用前景。

Luiten 教授指出，十年前，光學(xué)原子鐘還完全沒有參與國際時(shí)間體系的運(yùn)行。但到今天，已經(jīng)有至少 10 臺光學(xué)原子鐘被正式批準(zhǔn)，用于國際時(shí)間的校準(zhǔn)和維護(hù)。

這標(biāo)志著光學(xué)原子鐘已經(jīng)不再只是實(shí)驗(yàn)室中的研究設(shè)備，而是開始進(jìn)入全球時(shí)間體系的實(shí)際運(yùn)行層面。

不只是計(jì)時(shí)工具

研究人員同時(shí)指出，光學(xué)原子鐘的用途并不局限于計(jì)時(shí)。

由于其極高的精度和靈敏度，光學(xué)原子鐘可以作為重力傳感器使用，有望幫助建立一個(gè)不依賴海平面的國際高度參考系統(tǒng)。此外，它們還可能被用于測試基礎(chǔ)物理問題，例如暗物質(zhì)相關(guān)效應(yīng)。

在應(yīng)用層面，光學(xué)原子鐘還有潛力在衛(wèi)星系統(tǒng)因太陽風(fēng)暴或人為攻擊而中斷時(shí)，維持關(guān)鍵系統(tǒng)的高精度時(shí)間基準(zhǔn)。

這一點(diǎn)已經(jīng)引起了商業(yè)領(lǐng)域的高度關(guān)注，包括阿德萊德大學(xué)孵化企業(yè) QuantX Labs 在內(nèi)的多家公司，正在積極布局相關(guān)技術(shù)。

仍然存在的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

盡管發(fā)展迅速，這項(xiàng)綜述也明確指出，光學(xué)原子鐘距離全面接管時(shí)間體系仍面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)。

其中之一是運(yùn)行穩(wěn)定性問題，目前許多光學(xué)原子鐘仍只能間歇性工作。此外，關(guān)于如何重新定義“秒”，國際上仍需作出關(guān)鍵決策，例如是選用單一類型的光學(xué)原子鐘，還是采用多種光學(xué)鐘共同作為新標(biāo)準(zhǔn)。這些方案都需要通過直接比較來驗(yàn)證其可靠性。

另一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題是關(guān)鍵部件的供應(yīng)鏈尚不成熟，導(dǎo)致系統(tǒng)成本居高不下。不過研究人員認(rèn)為，量子計(jì)算和生物科學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)進(jìn)展，可能會在未來推動光學(xué)原子鐘變得更加廉價(jià)和易于獲取。

時(shí)間計(jì)量正處在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)

論文第一作者、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的 Tara Fortier 表示，光學(xué)原子鐘的性能幾乎以每十年提升百倍的速度進(jìn)步，這得益于原子物理和激光科學(xué)的持續(xù)突破。

她指出，通過系統(tǒng)展示光學(xué)原子鐘的性能、潛在角色以及未來挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)希望吸引更廣泛的科學(xué)與工程群體，參與到這一“自然界最精確計(jì)時(shí)器”的進(jìn)一步發(fā)展中。

值得注意的是，NIST 正是為美國提供官方時(shí)間，并參與制定全球時(shí)間尺度的核心機(jī)構(gòu)之一。這也意味著，關(guān)于秒的定義是否需要更新，已經(jīng)不再只是實(shí)驗(yàn)室里的設(shè)想，而是進(jìn)入了國際計(jì)量體系的討論層面。

論文信息

Tara M. Fortier 等
《Optical atomic clocks: defining the future of time and frequency metrology》
期刊：《Optica》
發(fā)表時(shí)間：2026
DOI：10.1364/optica.575770