2026年2月7日，中國科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院高克林團(tuán)隊(duì)發(fā)布重磅成果，其研制的第二代液氮低溫鈣離子光鐘實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)不確定度4.4E-19，連續(xù)計(jì)時(shí)720億年僅誤差1秒，成為目前全球不確定度指標(biāo)最高的光鐘，相關(guān)成果發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》，這一突破不僅將鈣離子光鐘精度推至全新量級(jí)，更標(biāo)志著中國在時(shí)間頻率基準(zhǔn)領(lǐng)域躋身國際第一梯隊(duì)。

如果把宇宙138億年的演化史濃縮成一天，這臺(tái)鈣離子光鐘從宇宙大爆炸走到今天，時(shí)間誤差連一眨眼的功夫都不到，因?yàn)樗枰\(yùn)行到相當(dāng)于如今宇宙年齡的5.2倍的時(shí)候，才會(huì)誤差一秒；若是用它來計(jì)量人類文明五千年，誤差更是小到可以忽略不計(jì)。

這也是我國計(jì)時(shí)器研究方面的重大突破，比該團(tuán)隊(duì)2022年研制的105億年誤差1秒的鈣離子光鐘精度提升了近7倍，讓人類的計(jì)時(shí)精度邁入了全新的“千億億分之一”時(shí)代。

可能很多朋友沒搞懂“光鐘到底是個(gè)啥”？簡(jiǎn)單來說，光鐘就是利用原子/離子在光學(xué)波段的能級(jí)躍遷頻率來計(jì)時(shí)的精密儀器，相當(dāng)于給時(shí)間找了個(gè)“宇宙級(jí)精準(zhǔn)心跳”。我們?nèi)粘Ｓ玫氖㈢娍烤w振動(dòng)計(jì)時(shí)，誤差以秒計(jì)；傳統(tǒng)銫原子鐘靠微波波段躍遷，最好的精度也才3.2億年誤差1秒；而光鐘利用的光頻率比微波高10萬倍，理論上就是天生的“精準(zhǔn)計(jì)時(shí)選手”，目前主流的光鐘還有鍶原子光鐘、鋁離子光鐘等，各有技術(shù)側(cè)重 。

而鈣離子光鐘能脫穎而出，背后是高克林團(tuán)隊(duì)近30年的“死磕”。2022年，團(tuán)隊(duì)研制的鈣離子光鐘已經(jīng)達(dá)到3E-18的不確定度，本已是行業(yè)佼佼者，但科研人員并沒有停下腳步。此次升級(jí)的第二代液氮低溫鈣離子光鐘，核心突破在于啃下了兩個(gè)“硬骨頭”：一是創(chuàng)新性采用液氮低溫技術(shù)路線，把黑體輻射頻移的影響降到了極致——要知道，任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出電磁輻射，哪怕是室溫下的儀器外殼，都可能干擾離子能級(jí)，讓計(jì)時(shí)出現(xiàn)偏差，液氮低溫就像給光鐘安了個(gè)“恒溫金鐘罩”，隔絕了外界的輻射干擾。

二是實(shí)現(xiàn)了離子熱運(yùn)動(dòng)（宏運(yùn)動(dòng)）的精密控制，原子/離子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，就像救護(hù)車駛過時(shí)汽笛聲會(huì)變調(diào)一樣，離子運(yùn)動(dòng)也會(huì)讓其躍遷頻率“跑偏”，團(tuán)隊(duì)通過精準(zhǔn)控制，讓鈣離子幾乎保持“靜止?fàn)顟B(tài)”，從根源上減少了誤差 。

這兩個(gè)技術(shù)難題的攻克，直接把鈣離子光鐘的不確定度從E-18量級(jí)推進(jìn)到E-19量級(jí)，而4.4E-19這個(gè)數(shù)字，翻譯過來就是千億億分之一的誤差率，這意味著這臺(tái)光鐘的“心跳”穩(wěn)定到了極致，每一次鈣離子的能級(jí)躍遷，都像宇宙設(shè)定好的精準(zhǔn)節(jié)拍，不會(huì)有絲毫錯(cuò)亂。

可能有人會(huì)問，把鐘造得這么準(zhǔn)，除了“炫技”，到底有啥實(shí)際用處？答案是，這臺(tái)光鐘的精準(zhǔn)度，會(huì)從基礎(chǔ)科學(xué)到日常生活，層層滲透改變我們的世界，而最直觀的影響，就是讓導(dǎo)航定位的精度實(shí)現(xiàn)“質(zhì)的飛躍”。

我們現(xiàn)在用的手機(jī)導(dǎo)航、車載GPS，精度能到米級(jí)，背后靠的是衛(wèi)星上的原子鐘，但1納秒的時(shí)間誤差，就會(huì)帶來30厘米的定位偏差。而這臺(tái)鈣離子光鐘的超高精度，能讓衛(wèi)星導(dǎo)航的時(shí)間同步誤差降到極致，理論上可以把導(dǎo)航精度從米級(jí)提升到毫米級(jí)——以后開車再也不用擔(dān)心導(dǎo)航“偏航”，無人機(jī)配送能精準(zhǔn)落到家門口的快遞箱，甚至深海探測(cè)、航空航天的精準(zhǔn)定位，都會(huì)因?yàn)檫@臺(tái)光鐘迎來新突破。

除了導(dǎo)航，這種光鐘在地球測(cè)地學(xué)領(lǐng)域，它能精準(zhǔn)測(cè)量地球重力場(chǎng)的微小變化，幫助科學(xué)家監(jiān)測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)、預(yù)測(cè)地震；在通訊網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，超高精度的時(shí)間基準(zhǔn)能讓5G、6G通訊的同步性更強(qiáng)，減少信號(hào)延遲和干擾。

而在更前沿的基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，這臺(tái)光鐘更是科學(xué)家的“超級(jí)工具”。時(shí)間頻率是人類能測(cè)量的最準(zhǔn)確的物理量，光鐘的精度越高，對(duì)基本物理定律的檢驗(yàn)就越靈敏。比如，科學(xué)家可以用它來探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，尋找暗物質(zhì)、暗能量的蛛絲馬跡；可以更精準(zhǔn)地驗(yàn)證相對(duì)論，研究引力對(duì)時(shí)間的影響；甚至能幫助我們探索宇宙的起源和演化，解答“宇宙到底有多老”“時(shí)空是否存在漣漪”這類終極問題 。

更重要的是，這臺(tái)光鐘還為“重新定義1秒”提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。我們現(xiàn)在使用的“秒”，是1967年定義的銫原子秒，以銫-133原子的微波躍遷頻率為基準(zhǔn)，但隨著科技發(fā)展，銫原子鐘的精度已經(jīng)接近物理極限。

國際計(jì)量大會(huì)早已決定，要利用光鐘重新定義“秒”，并計(jì)劃在2030年做出最終決定 。而中國這臺(tái)鈣離子光鐘的超高精度，讓我們?cè)趪H“秒定義”的討論中擁有了更多話語權(quán)，未來當(dāng)新的“秒”定義誕生時(shí)，中國的技術(shù)成果將成為重要參考，這不僅是科研實(shí)力的體現(xiàn)，更能讓中國在全球時(shí)間頻率基準(zhǔn)體系中占據(jù)核心位置，維護(hù)國家的計(jì)量主權(quán)。

從日晷的小時(shí)級(jí)誤差，到石英鐘的秒級(jí)誤差，再到如今鈣離子光鐘的720億年1秒誤差，人類對(duì)時(shí)間精度的追求，本質(zhì)上是對(duì)未知世界的探索欲。高克林團(tuán)隊(duì)近30年磨一劍，造出這臺(tái)世界最精準(zhǔn)的鈣離子光鐘，不僅是中國科研的一次重大突破，更是人類向宇宙精準(zhǔn)探索的一大步。

這臺(tái)光鐘的背后，是中國科學(xué)家的堅(jiān)守和創(chuàng)新，而它的未來，更是充滿無限可能?；蛟S在不久的將來，我們拿著手機(jī)導(dǎo)航時(shí)，不會(huì)想到背后有一臺(tái)720億年才差1秒的光鐘在默默支撐；但當(dāng)我們的腳步能更精準(zhǔn)地踏遍地球、甚至走向宇宙時(shí)，我們會(huì)明白，對(duì)精準(zhǔn)的極致追求，永遠(yuǎn)是人類進(jìn)步的動(dòng)力。而中國在時(shí)間頻率領(lǐng)域的這一突破，也讓我們?cè)谔剿饔钪娴牡缆飞?，擁有了一把更精?zhǔn)的“時(shí)間標(biāo)尺”。

消息來源：《中國新聞網(wǎng)》2月8日?qǐng)?bào)道《中國團(tuán)隊(duì)研制出不確定度指標(biāo)最高光鐘》網(wǎng)址
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