光鍾

《科學》雜誌報道的研究成果表明，光鍾將比最好的時鐘精度提高100倍，將能提供“對物理世界更細緻的觀察”，並將有助於建立對自然界基本定律的更深入的認識。該研究成果也將對衞星導航、通信及計算機網絡同步等應用領域產生影響。

據專家解釋，原子時鐘的“滴答”來自於原子的躍遷頻率。當前原子鐘的原子躍遷頻率是在微波波段，而光學頻率比微波頻率高5個數量級，因此通過對光學頻率的精密控制和光學頻率與微波頻率的高精度轉換，可以提供超高精度的時間和頻率標準，實現更精確地計時。

高準確度時間頻率基準鐘的研製，是保證國家時間頻率計量體系獨立完整性的關鍵，關係到國家的核心利益。記者從由中國計量科學研究院獲悉：“高準確度原子光學頻率標準儀的研製與開發”課題順利通過了國家質檢總局組織的專家驗收。該課題掌握了鍶原子光鍾和光纖光梳研究的一系列關鍵技術，為鍶原子光晶格鍾和光纖光梳的進一步研究奠定了技術基礎。 課題負責人中國計量科學研究院方佔軍研究員告訴記者，與現行的銫原子鐘比較，光鍾具有實現更高準確度的潛力，被公認為下一代時間頻率基準。用光鍾替代現行的銫原子噴泉鍾來重新定義秒，可以顯著提高衞星導航系統的定位精度。該課題的順利完成，為我國鍶原子光晶格鍾基準裝置的進一步研究、建立基於光鐘的新一代時間頻率計量體系奠定了基礎，對於2019年在國際上重新定義秒的問題爭得發言權和主動地位具有重要意義。

據介紹，該課題是國家“十一五”科技支撐計劃重大項目“科學儀器設備研製與開發”項目中的一項，由中國計量科學研究院、中國科學院武漢物理與數學研究所、北京大學和國防科技大學等4家單位共同承擔。經過3年的科技攻關，該課題組掌握了鍶原子光鍾和摻鉺光纖光梳研究的一系列關鍵技術，並實現了多項技術創新：研究建立了鍶原子塞曼減速器和激光冷卻囚禁裝置，首次實現461nm藍MOT；完善了633nm、543nm、612nm和532nm次級光學頻率標準，建立了完整的光學頻率量值傳遞體系等。

中國科學院武漢物理與數學研究所高克林研究員領導的囚禁離子研究組，經過10年努力，突破了系列關鍵技術，成功研製出我國首台基於單個囚禁鈣離子的“光鍾”，成為世界上少數幾個掌握此項技術的國家。

時間頻率標準是人類生產和科學活動的基本條件。每一次時頻精度的提高，都使人們在更深的層次上認識物質世界。“秒”的定義是時間標準的基礎，通用“秒”的定義是以原子在微波波段上的躍遷為標準的。而“光鍾”則是利用原子在光波波段上的躍遷為標準的。

由於光學頻率比微波頻率高出4到5個數量級，因此在相同躍遷譜線線寬的條件下，光鐘的不確定精度將優於微波鍾100到1000倍。通俗地講就是用它計時精度更高。此外，“光頻標”技術不僅能提高計時精度，還能優化精密儀器製造、衞星定位等技術。

2012年6月30日，我國與全球同步進行閏秒調整。這多出的1秒，是靠原子微波鍾測量的，它的計時測量可達上萬年不出偏差。而原子“光鍾”比原子微波鍾又要精準許多，是人類無限追求時間精確度的產物。

據瞭解，掌握此項技術的國家有美國、德國、英國、加拿大、奧地利和日本。據悉，國際計量協會正在考慮重新定義時間基準，這項技術有望為我國在世界時間標準的定義上爭得一定話語權。 ^[1] 

雖然沒有人留意到日常生活中的差異，但是光學時鐘在許多方面都極其有用。比如説，它能夠讓GPS導航精確到幾釐米以內，而不是傳統的幾米範圍。它也能幫助管理電網和計算機金融網絡。

GPS定位需要連接至少四顆衞星，每一顆衞星都會提供一個時間標識，隨後這些數據被用於推斷裝置的位置，比如説智能手機的定位。光學時鐘都是大型的複雜裝置，但是Menlo公司的研究人員研發了一個重量僅22公斤、寬22釐米的光學時鐘。它也非常牢固，足以承受火箭發射時所帶來的超快加速。

被送入太空的這座光學時鐘只有GPS所使用原子時鐘精準度的十分之一，但是它只是為了測試光學時鐘在微重力太空環境下的能力。研究人員正計劃設計一種升級版本，而且預計將在年底送入軌道。屆時它將更加強壯，這樣它就能夠承受太空中的極端宇宙輻射，並連續工作數年時間。 ^[2] 

2022年10月，據中國科學院消息，中國科研團隊在國際上首次實現了百公里級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗，時間傳遞穩定度達到飛秒（千萬億分之一秒）量級，頻率傳遞萬秒穩定度優於4E-19（相當於時鐘約一千億年的誤差不超過一秒），可滿足目前最高精度光鐘的時間傳遞要求。 ^[3]