近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、戴漢寧、陳宇翱、彭承志等在光鐘研制方面取得里程碑式進展，成功將鍶原子光晶格鐘的穩(wěn)定度和不確定度指標全面突破10?1?量級，相當于約300億年的誤差不超過1秒。這一成果標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。

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

在不確定度方面，研究團隊針對制約鍶光鐘（Sr1）精度的核心系統(tǒng)效應(yīng)展開了攻關(guān)。團隊通過建立經(jīng)原位驗證的空間分辨有限元模型，結(jié)合17個高精度溫度探測器的實時監(jiān)測，將黑體輻射頻移不確定度降至 6.3×10?1?；采用晶格腔設(shè)計擴大光束腰斑，同時優(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；通過測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)不確定度達到 9.2×10?1?，相當于約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)成果于3月5日發(fā)表于國際計量領(lǐng)域核心期刊《計量學(xué)》（Metrologia）。

什么是“死時間”？為什么完全獨立的兩臺光鐘可以消除“死時間”？光鐘走得準不準，又是靠什么判斷？

▲圖1 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊研制的無死時間鍶原子光晶格鐘（Sr3）三維模型

什么是“死時間”？

在回答這個問題之前，我們需要先回答一個更加基礎(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準來保持時間準確的時鐘。原子鐘依賴于原子中電子云的能級躍遷。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”（時間脈沖）——每秒達數(shù)十億甚至數(shù)萬億次。

光鐘作為光頻段的原子鐘，其性能指標主要包含兩個要素：穩(wěn)定度和準確度（或不確定度）。穩(wěn)定度是指光鐘輸出頻率的短期波動或隨機變化。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，適用于實時高精度測量，如引力波探測、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。當光信號與躍遷共振時，其頻率可以被非常精確地界定。

對于一臺光鐘內(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備。這一過程不可避免地要花去大量時間，這段時間就稱為“死時間”。在死時間內(nèi)，超穩(wěn)激光頻率噪聲會將混疊到原子躍遷頻率上，導(dǎo)致光鐘的長期穩(wěn)定度變差。

面對這一問題，中國科大團隊設(shè)計了一個全新的高性能雙原子系統(tǒng)光鐘（Sr3）。這個雙原子光鐘內(nèi)包含了兩個鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），在Sr3a光鐘進行原子制備的時間內(nèi)，Sr3b光鐘進行原子躍遷探測；而當Sr3a光鐘開始進行原子躍遷探測的時候，Sr3b光鐘開始進入下一輪原子制備。Sr3光鐘通過交替探詢兩個鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），從而實現(xiàn)無死時間（Zero Dead Time, ZDT）光鐘運行方案。

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

利用基于ZDT的Sr3光鐘，中國科大團隊進一步將其與穩(wěn)定性優(yōu)化的參考光鐘（Sr1）進行比對，實現(xiàn)兩個完全獨立的光鐘之間的拍頻穩(wěn)定度可在1萬~2萬秒進入10?1?量級，最佳在2萬秒可達2.9×10?1?，長期測量結(jié)果表明等效天穩(wěn)可達2.5×10?1?，是目前報道的最好的獨立光鐘比對結(jié)果之一。

這一結(jié)果證實了 ZDT 架構(gòu)在長期穩(wěn)定性方面的優(yōu)越性，同時也降低了對極低噪聲超穩(wěn)激光的依賴且在相對緊湊的系統(tǒng)中實現(xiàn)。因此，這種方法在實用的高性能可搬運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 兩個獨立光鐘拍頻比對結(jié)果及各自穩(wěn)定度分析

如何評估光鐘是否“走得準”？

不確定度是光鐘的另一類性能，反映了輸出頻率的準確性。作為將來更新秒定義的前提之一，單臺光鐘相對頻率不確定度應(yīng)當小于2×10?1?。為什么會有這樣的要求？實際上，由于各類物理場的擾動（稱為系統(tǒng)效應(yīng)），每臺光鐘的實際輸出頻率和理想原子躍遷頻率并不相等；而光鐘要成為時間計量的基準，每臺光鐘就必須事先精細地評估出這一頻率差，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確度，也需要更復(fù)雜的測量方法和更細致的實驗操作。此外更新秒定義還對光鐘-光鐘間的頻率符合度提出嚴格要求。而開展高精度光鐘間比對實驗，事實上也要求更多臺高準確度光鐘的建設(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)。

中國科大團隊近期也針對制約鍶光鐘（Sr1）精度的核心系統(tǒng)效應(yīng)展開了攻關(guān)。團隊通過建立經(jīng)原位驗證的空間分辨有限元模型，結(jié)合17個高精度溫度探測器的實時監(jiān)測，將黑體輻射頻移不確定度降至 6.3×10?1?；采用晶格腔設(shè)計擴大光束腰斑，同時優(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；通過測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)，激光與磁場交織構(gòu)建出一座“磁光陷阱”。它能將鍶原子的熱運動“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)，通過干涉增強在空間中構(gòu)建出周期性的“光勢阱陣列”，如同一個由光構(gòu)成的“一維格點”。冷卻后的原子被囚禁在這些晶格節(jié)點中，從而消除運動帶來的測量干擾。（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，輸出超高精度的時間標準。

這些優(yōu)化使Sr1鐘的綜合系統(tǒng)不確定度達到 9.2×10?1?，相當于約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。

飛向太空的光鐘

隨著我國科學(xué)團隊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)展將不止于對時間本身的測量，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、暗物質(zhì)探索、全球時間基準等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

從無死時間光鐘技術(shù)到可移動光鐘的研制，從“墨子號”的啟示到遠距離光鐘對比的方案設(shè)計，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量網(wǎng)絡(luò)。相信在不遠的未來，隨著中國自主研制的高性能光鐘升入太空，我們不僅將實現(xiàn)洲際間高精度頻率比對、全球統(tǒng)一時間基準的建設(shè)，更可能率先開啟量子光鐘網(wǎng)絡(luò)的新時代。

▲圖6 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)團隊研制的鍶原子晶格光鐘（Sr1）

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