300億年誤差不超過一秒！中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)鍶原子光晶格鐘新突破

近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、戴漢寧、陳宇翱、彭承志等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?1?量級(jí)，相當(dāng)于約300億年的誤差不超過1秒。這一成果標(biāo)志著我國(guó)在時(shí)間精密測(cè)量領(lǐng)域的研究水平已躋身國(guó)際最前列。

在穩(wěn)定度性能方面，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套精密的雙鐘比對(duì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含兩個(gè)完全獨(dú)立的鍶原子光晶格鐘：一個(gè)是經(jīng)過細(xì)致優(yōu)化的高性能參考鐘（Sr1），另一個(gè)是集成了兩套緊湊型原子系統(tǒng)的零死時(shí)間鐘（Sr3）。零死時(shí)間鐘通過高精度時(shí)序同步與交替Ramsey光譜探測(cè)，使得合成后的靈敏度函數(shù)在整個(gè)周期內(nèi)幾乎恒為1，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)本地振蕩器頻率的連續(xù)檢測(cè)，顯著抑制了迪克效應(yīng)。通過兩臺(tái)獨(dú)立鍶光鐘的直接拍頻比對(duì)，驗(yàn)證了2萬秒積分時(shí)間內(nèi)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度優(yōu)于2.9×10?1?。相關(guān)成果于2025年12月發(fā)表于國(guó)際知名物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》，被審稿人評(píng)價(jià)為“實(shí)現(xiàn)了前所未有的10?1?穩(wěn)定度”。

在不確定度方面，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)制約鍶光鐘（Sr1）精度的核心系統(tǒng)效應(yīng)展開了攻關(guān)。團(tuán)隊(duì)通過建立經(jīng)原位驗(yàn)證的空間分辨有限元模型，結(jié)合17個(gè)高精度溫度探測(cè)器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將黑體輻射頻移不確定度降至 6.3×10?1?；采用晶格腔設(shè)計(jì)擴(kuò)大光束腰斑，同時(shí)優(yōu)化原子溫度，顯著抑制原子碰撞導(dǎo)致的密度頻移，其不確定度被壓制至10?2?量級(jí)；通過測(cè)量鍶原子極化率等物理參量，將晶格光頻移不確定度降低至6.3×10?1?；通過精密表征磁不敏感躍遷的二階塞曼系數(shù)，將磁頻移不確定度控制在10?1?水平。這些優(yōu)化使Sr1鐘的綜合系統(tǒng)不確定度達(dá)到 9.2×10?1?，相當(dāng)于約300億年的誤差不超過1秒，成為滿足國(guó)際單位制秒重新定義要求的高精度光鐘之一。相關(guān)成果于3月5日發(fā)表于國(guó)際計(jì)量領(lǐng)域核心期刊《計(jì)量學(xué)》（Metrologia）。

什么是“死時(shí)間”？為什么完全獨(dú)立的兩臺(tái)光鐘可以消除“死時(shí)間”？光鐘走得準(zhǔn)不準(zhǔn)，又是靠什么判斷？

▲圖1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的無死時(shí)間鍶原子光晶格鐘（Sr3）三維模型

什么是“死時(shí)間”？

在回答這個(gè)問題之前，我們需要先回答一個(gè)更加基礎(chǔ)的問題：什么是原子鐘？

原子鐘（Atomic clock）是一種以原子的固有共振頻率標(biāo)準(zhǔn)來保持時(shí)間準(zhǔn)確的時(shí)鐘。原子鐘依賴于原子中電子云的能級(jí)躍遷。通過特定頻率的微波或激光使電子躍遷到更高的能量狀態(tài)。這些利用電子躍遷來穩(wěn)定激光或微波的振蕩頻率，從而提供鐘表的“滴答”（時(shí)間脈沖）——每秒達(dá)數(shù)十億甚至數(shù)萬億次。

光鐘作為光頻段的原子鐘，其性能指標(biāo)主要包含兩個(gè)要素：穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度（或不確定度）。穩(wěn)定度是指光鐘輸出頻率的短期波動(dòng)或隨機(jī)變化。光鐘的穩(wěn)定度越高，意味著光鐘能越快收斂到其固有精度，適用于實(shí)時(shí)高精度測(cè)量，如引力波探測(cè)、精密導(dǎo)航等。

▲圖2 鍶原子在1S?和3P?狀態(tài)之間的躍遷作為光晶格鐘的參考。當(dāng)光信號(hào)與躍遷共振時(shí)，其頻率可以被非常精確地界定。

對(duì)于一臺(tái)光鐘內(nèi)的原子來說，它需要先經(jīng)過冷卻、囚禁和態(tài)制備等一系列過程，才能為躍遷做好充足準(zhǔn)備。這一過程不可避免地要花去大量時(shí)間，這段時(shí)間就稱為“死時(shí)間”。在死時(shí)間內(nèi)，超穩(wěn)激光頻率噪聲會(huì)將混疊到原子躍遷頻率上，導(dǎo)致光鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定度變差。

面對(duì)這一問題，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的高性能雙原子系統(tǒng)光鐘（Sr3）。這個(gè)雙原子光鐘內(nèi)包含了兩個(gè)鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），在Sr3a光鐘進(jìn)行原子制備的時(shí)間內(nèi)，Sr3b光鐘進(jìn)行原子躍遷探測(cè)；而當(dāng)Sr3a光鐘開始進(jìn)行原子躍遷探測(cè)的時(shí)候，Sr3b光鐘開始進(jìn)入下一輪原子制備。Sr3光鐘通過交替探詢兩個(gè)鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），從而實(shí)現(xiàn)無死時(shí)間（Zero Dead Time, ZDT）光鐘運(yùn)行方案。

▲圖3 鍶原子光鐘Sr1和Sr3，其中Sr3由雙物理系統(tǒng)組成，并交替運(yùn)行。Sr1、Sr3兩個(gè)獨(dú)立光鐘之間開展了頻率比對(duì)

利用基于ZDT的Sr3光鐘，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將其與穩(wěn)定性優(yōu)化的參考光鐘（Sr1）進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)完全獨(dú)立的光鐘之間的拍頻穩(wěn)定度可在1萬~2萬秒進(jìn)入10?1?量級(jí)，最佳在2萬秒可達(dá)2.9×10?1?，長(zhǎng)期測(cè)量結(jié)果表明等效天穩(wěn)可達(dá)2.5×10?1?，是目前報(bào)道的最好的獨(dú)立光鐘比對(duì)結(jié)果之一。

這一結(jié)果證實(shí)了 ZDT 架構(gòu)在長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性，同時(shí)也降低了對(duì)極低噪聲超穩(wěn)激光的依賴且在相對(duì)緊湊的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。因此，這種方法在實(shí)用的高性能可搬運(yùn)光鐘及空間光鐘系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用前景，拓展了ZDT架構(gòu)的適用性。

▲圖4 兩個(gè)獨(dú)立光鐘拍頻比對(duì)結(jié)果及各自穩(wěn)定度分析

如何評(píng)估光鐘是否“走得準(zhǔn)”？

不確定度是光鐘的另一類性能，反映了輸出頻率的準(zhǔn)確性。作為將來更新秒定義的前提之一，單臺(tái)光鐘相對(duì)頻率不確定度應(yīng)當(dāng)小于2×10?1?。為什么會(huì)有這樣的要求？實(shí)際上，由于各類物理場(chǎng)的擾動(dòng)（稱為系統(tǒng)效應(yīng)），每臺(tái)光鐘的實(shí)際輸出頻率和理想原子躍遷頻率并不相等；而光鐘要成為時(shí)間計(jì)量的基準(zhǔn)，每臺(tái)光鐘就必須事先精細(xì)地評(píng)估出這一頻率差，并給出相應(yīng)的不確定度。越小的不確定度代表著越高的輸出頻率準(zhǔn)確度，也需要更復(fù)雜的測(cè)量方法和更細(xì)致的實(shí)驗(yàn)操作。此外更新秒定義還對(duì)光鐘-光鐘間的頻率符合度提出嚴(yán)格要求。而開展高精度光鐘間比對(duì)實(shí)驗(yàn)，事實(shí)上也要求更多臺(tái)高準(zhǔn)確度光鐘的建設(shè)。

光鐘總的系統(tǒng)效應(yīng)頻移包括許多因素，而其評(píng)估誤差在數(shù)值上則主要由黑體輻射頻移、光晶格頻移、密度頻移、塞曼頻移所主導(dǎo)。

中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)近期也針對(duì)制約鍶光鐘（Sr1）精度的核心系統(tǒng)效應(yīng)展開了攻關(guān)。團(tuán)隊(duì)通過建立經(jīng)原位驗(yàn)證的空間分辨有限元模型，結(jié)合17個(gè)高精度溫度探測(cè)器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將黑體輻射頻移不確定度降至 6.3×10?1?；采用晶格腔設(shè)計(jì)擴(kuò)大光束腰斑，同時(shí)優(yōu)化原子溫度，顯著抑制原子碰撞導(dǎo)致的密度頻移，其不確定度被壓制至10?2?量級(jí)；通過測(cè)量鍶原子極化率等物理參量，將晶格光頻移不確定度降低至6.3×10?1?；通過精密表征磁不敏感躍遷的二階塞曼系數(shù)，將磁頻移不確定度控制在10?1?水平。

▲圖5 鍶原子光鐘的物理核心——原子囚禁與量子探詢系統(tǒng)。（1）原子冷卻（磁光阱）： 在中心的八角形超高真空腔內(nèi)，激光與磁場(chǎng)交織構(gòu)建出一座“磁光陷阱”。它能將鍶原子的熱運(yùn)動(dòng)“減速降溫”，使其溫度降至微開爾文。（2）原子囚禁（光晶格）： 豎直斜22.5度方向的激光被關(guān)在諧振腔內(nèi)，通過干涉增強(qiáng)在空間中構(gòu)建出周期性的“光勢(shì)阱陣列”，如同一個(gè)由光構(gòu)成的“一維格點(diǎn)”。冷卻后的原子被囚禁在這些晶格節(jié)點(diǎn)中，從而消除運(yùn)動(dòng)帶來的測(cè)量干擾。（3）精密讀秒（探詢）： 最后，極窄線寬的鐘激光作為“探針”，讀取這些懸浮在真空中的原子的量子振蕩頻率，輸出超高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。

這些優(yōu)化使Sr1鐘的綜合系統(tǒng)不確定度達(dá)到 9.2×10?1?，相當(dāng)于約300億年的誤差不超過1秒，成為滿足國(guó)際單位制秒重新定義要求的高精度光鐘之一。

飛向太空的光鐘

隨著我國(guó)科學(xué)團(tuán)隊(duì)自主研制的光鐘在穩(wěn)定度、不確定度等方面性能的不斷突破，光鐘的發(fā)展將不止于對(duì)時(shí)間本身的測(cè)量，而將成為人類探索宇宙深層奧秘的一把鑰匙，在引力波探測(cè)、暗物質(zhì)探索、全球時(shí)間基準(zhǔn)等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

從無死時(shí)間光鐘技術(shù)到可移動(dòng)光鐘的研制，從“墨子號(hào)”的啟示到遠(yuǎn)距離光鐘對(duì)比的方案設(shè)計(jì)，光鐘將逐步構(gòu)建起一張覆蓋全球乃至連接天地的量子精密測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。相信在不遠(yuǎn)的未來，隨著中國(guó)自主研制的高性能光鐘升入太空，我們不僅將實(shí)現(xiàn)洲際間高精度頻率比對(duì)、全球統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)的建設(shè)，更可能率先開啟量子光鐘網(wǎng)絡(luò)的新時(shí)代。

▲圖6 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的鍶原子晶格光鐘（Sr1）

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