近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、戴漢寧、陳宇翱、彭承志等科研人員在光鐘研制方面取得里程碑式進(jìn)展，成功將鍶原子光晶格鐘的穩(wěn)定度和不確定度指標(biāo)全面突破10?19量級，相當(dāng)于約300億年的誤差不超過1秒，成為滿足國際單位制秒重新定義要求的高精度光鐘之一。這一成果也標(biāo)志著我國在時間精密測量領(lǐng)域的研究水平已躋身國際最前列。

▲中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊研制的鍶原子晶格光鐘（Sr1）。圖片來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

光鐘作為當(dāng)今最精密的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)，其核心在于利用原子內(nèi)部能級躍遷產(chǎn)生的頻率信號來定義時間。光鐘能提供極高的計時精度，將直接支撐國際單位制中“秒”的重新定義，使全球時間標(biāo)準(zhǔn)邁入光學(xué)時代，精度較現(xiàn)有微波時間標(biāo)準(zhǔn)提升4個數(shù)量級。光鐘還能為衛(wèi)星導(dǎo)航、通信和精密測量等現(xiàn)代科技提供可靠的時間基準(zhǔn)，同時為檢驗廣義相對論、探測引力波和暗物質(zhì)等物理學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域提供全新的平臺。

光鐘的性能主要由穩(wěn)定度與不確定度兩大核心指標(biāo)（均為數(shù)值越小則性能越優(yōu)）衡量：穩(wěn)定度表征時鐘輸出頻率的噪聲水平與長期一致性，決定了測量結(jié)果的精密性；不確定度則量化了時鐘頻率與微觀粒子能級躍遷固有頻率（即絕對真值）的偏差程度，決定了測量結(jié)果的可信度。

當(dāng)光鐘的穩(wěn)定度與不確定度均突破10?19量級時，將開啟一系列重要的前沿應(yīng)用。例如，實現(xiàn)毫米級重力位與高度精密測量，可用于監(jiān)測地殼形變、地下水位變化、火山活動預(yù)警及高精度大地水準(zhǔn)面更新，支持災(zāi)害防控與資源勘探；提供暗物質(zhì)探測的新方法，可捕捉暗物質(zhì)引起的瞬態(tài)低頻信號，有望超越傳統(tǒng)粒子實驗平臺。特別是這一精度水平已顯著超過國際計量界對“秒”重新定義的門檻要求（國際標(biāo)準(zhǔn)要求至少3個獨立光學(xué)時間標(biāo)準(zhǔn)的不確定度優(yōu)于2×10-18，并經(jīng)多機(jī)構(gòu)驗證）。穩(wěn)定度與不確定度雙10?19性能可直接為我國在未來“秒”的重新定義中貢獻(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)并實現(xiàn)主導(dǎo)。

以往全球光鐘的穩(wěn)定度與不確定度綜合性能主要停留在10-18量級，僅少數(shù)頂尖機(jī)構(gòu)（如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院等）接近或觸及該水平。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊針對制約光鐘性能的關(guān)鍵瓶頸開展了長期系統(tǒng)性攻關(guān)，并于近期在穩(wěn)定度和不確定度方面取得多項突破性進(jìn)展，使光鐘的綜合系統(tǒng)不確定度達(dá)到9.2×10?19，相當(dāng)于約300億年的誤差不超過1秒，成為滿足國際單位制秒重新定義要求的高精度光鐘之一。

相關(guān)成果不僅使得我國在光鐘研制方面躋身國際頂尖梯隊，也為發(fā)展可搬運光鐘和星載光鐘提供了可行的技術(shù)路徑，為光鐘技術(shù)在檢驗基本物理學(xué)定律、支撐下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、構(gòu)建全球統(tǒng)一超高精度時間基準(zhǔn)等領(lǐng)域的深度應(yīng)用奠定了堅實可靠的基礎(chǔ)。

來源：中央廣播電視總臺

責(zé)任編輯：閆文藝