300亿年误差不超过一秒！中国科大实现锶原子光晶格钟新突破

大皖新闻讯 3月7日，大皖新闻记者从中国科学技术大学获悉，近期该校潘建伟、戴汉宁、陈宇翱、彭承志等科研人员在光钟研制方面取得里程碑式进展，成功将锶原子光晶格钟的稳定度和不确定度指标全面突破10的负19次方量级，相当于约300亿年的误差不超过1秒。这一成果标志着我国在时间精密测量领域的研究水平已跻身国际最前列。

什么是“死时间”

相关人员介绍，原子钟是一种以原子的固有共振频率标准来保持时间准确的时钟。原子钟依赖于原子中电子云的能级跃迁。通过特定频率的微波或激光使电子跃迁到更高的能量状态。这些利用电子跃迁来稳定激光或微波的振荡频率，提供钟表的“滴答”（时间脉冲）——每秒达数十亿甚至数万亿次。

光钟作为光频段的原子钟，其性能指标主要包含两个要素：稳定度和准确度（或不确定度）。稳定度是指光钟输出频率的短期波动或随机变化。光钟的稳定度越高，意味着光钟能越快收敛到其固有精度，适用于实时高精度测量，如引力波探测、精密导航等。

中国科大团队研制的无死时间锶原子光晶格钟（Sr3）三维模型

当光钟的稳定度与不确定度均突破10的负19次方量级时，将开启一系列重要的前沿应用，例如，实现毫米级重力位与高度精密测量，可用于监测地壳形变、地下水位变化、火山活动预警及高精度大地水准面更新，支持灾害防控与资源勘探；提供暗物质探测的新方法，可捕捉暗物质引起的瞬态低频信号，有望超越传统粒子实验平台。

相关人员表示，对于一台光钟内的原子来说，它需要先经过冷却、囚禁和态制备等一系列过程，才能为跃迁做好充足准备。这一过程不可避免地要花去大量时间，这段时间就称为“死时间”。在死时间内，超稳激光频率噪声会将混叠到原子跃迁频率上，导致光钟的长期稳定度变差。

面对这一问题，中国科大团队设计了一个全新的高性能双原子系统光钟（Sr3）。这个双原子光钟内包含了两个锶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），在Sr3a光钟进行原子制备的时间内，Sr3b光钟进行原子跃迁探测；而当Sr3a光钟开始进行原子跃迁探测的时候，Sr3b光钟开始进入下一轮原子制备。Sr3光钟通过交替探询两个锶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），从而实现无死时间（Zero Dead Time, ZDT）光钟运行方案。

如何评估光钟是否“走得准”

研究团队人员称，由于各类物理场的扰动（称为系统效应），每台光钟的实际输出频率和理想原子跃迁频率并不相等；而光钟要成为时间计量的基准，每台光钟就必须事先精细地评估出这一频率差，并给出相应的不确定度。而开展高精度光钟间比对实验，事实上也要求更多台高准确度光钟的建设。

光钟总的系统效应频移包括许多因素，而其评估误差在数值上则主要由黑体辐射频移、光晶格频移、密度频移、塞曼频移所主导。

锶原子光钟Sr1装置系统图，通过系统性优化提升后，综合评估了各系统频移因素的影响

中国科大团队近期也针对制约锶光钟（Sr1）精度的核心系统效应展开了攻关。团队通过建立经原位验证的空间分辨有限元模型，结合17个高精度温度探测器的实时监测；采用晶格腔设计扩大光束腰斑，同时优化原子温度，显著抑制原子碰撞导致的密度频移，其不确定度被压制至10的负20次方量级……

这些优化使Sr1钟的综合系统不确定度达到 9.2乘以10的负19次方量级，相当于约300亿年的误差不超过1秒，成为满足国际单位制秒重新定义要求的高精度光钟之一。

飞向太空的光钟

该研究团队针对制约光钟性能的关键瓶颈开展了长期系统性攻关，并于近期取得多项突破性进展。在稳定度方面，突破了传统光钟限制，构建了零死时间架构和一套精密的双钟比对系统，并验证了2万秒积分时间内的长期稳定度的优越性。相关成果于日前发表于国际知名期刊《物理评论快报》。

在不确定度方面，研究团队通过建立经原位验证的空间分辨有限元模型，结合实时监测及不断优化的方案实现了“相当于300亿年的误差不超过1秒”的里程碑式进展。相关成果于3月5日发表于国际计量领域核心期刊《计量学》。

中国科大团队研制的锶原子晶格光钟（Sr1）

据介绍，相关成果标志着中国在时间精密测量领域的研究水平已跻身国际最前列，也为发展可搬运光钟和星载光钟提供了可行的技术路径，为该技术在支撑下一代卫星导航系统、构建全球统一超高精度时间基准等领域的深度应用奠定了基础。

从无死时间光钟技术到可移动光钟的研制，从“墨子号”的启示到远距离光钟对比的方案设计，光钟将逐步构建起一张覆盖全球乃至连接天地的量子精密测量网络。

大皖新闻记者 魏鑫鑫 （图片来自中国科大）

编辑 王翠