光钟

2002年以来国际计量科学发展的一个新热点

光钟研究是2002年以来国际计量科学发展的一个新热点。世界上最好的铯喷泉钟准确度已达到10—15量级。

简介

《科学》杂志报道的研究成果表明，光钟将比最好的时钟精度提高100倍，将能提供“对物理世界更细致的观察”，并将有助于建立对自然界基本定律的更深入的认识。该研究成果也将对卫星导航、通信及计算机网络同步等应用领域产生影响。

据专家解释，原子时钟的“滴答”来自于原子的跃迁频率。当前原子钟的原子跃迁频率是在微波波段，而光学频率比微波频率高5个数量级，因此通过对光学频率的精密控制和光学频率与微波频率的高精度转换，可以提供超高精度的时间和频率标准，实现更精确地计时。

中国最新锶原子光钟技术或将改变“秒”的内涵

高准确度时间频率基准钟的研制，是保证国家时间频率计量体系独立完整性的关键，关系到国家的核心利益。记者从由中国计量科学研究院获悉：“高准确度原子光学频率标准仪的研制与开发”课题顺利通过了国家质检总局组织的专家验收。该课题掌握了锶原子光钟和光纤光梳研究的一系列关键技术，为锶原子光晶格钟和光纤光梳的进一步研究奠定了技术基础。课题负责人中国计量科学研究院方占军研究员告诉记者，与现行的铯原子钟比较，光钟具有实现更高准确度的潜力，被公认为下一代时间频率基准。用光钟替代现行的铯原子喷泉钟来重新定义秒，可以显著提高卫星导航系统的定位精度。该课题的顺利完成，为我国锶原子光晶格钟基准装置的进一步研究、建立基于光钟的新一代时间频率计量体系奠定了基础，对于2019年在国际上重新定义秒的问题争得发言权和主动地位具有重要意义。

据介绍，该课题是国家“十一五”科技支撑计划重大项目“科学仪器设备研制与开发”项目中的一项，由中国计量科学研究院、中国科学院武汉物理与数学研究所、北京大学和国防科技大学等4家单位共同承担。经过3年的科技攻关，该课题组掌握了锶原子光钟和掺铒光纤光梳研究的一系列关键技术，并实现了多项技术创新：研究建立了锶原子塞曼减速器和激光冷却囚禁装置，首次实现461nm蓝MOT；完善了633nm、543nm、612nm和532nm次级光学频率标准，建立了完整的光学频率量值传递体系等。

研制成功

中国首台“光钟”研制成功

中国科学院武汉物理与数学研究所高克林研究员领导的囚禁离子研究组，经过10年努力，突破了系列关键技术，成功研制出我国首台基于单个囚禁钙离子的“光钟”，成为世界上少数几个掌握此项技术的国家。

时间频率标准是人类生产和科学活动的基本条件。每一次时频精度的提高，都使人们在更深的层次上认识物质世界。“秒”的定义是时间标准的基础，通用“秒”的定义是以原子在微波波段上的跃迁为标准的。而“光钟”则是利用原子在光波波段上的跃迁为标准的。

由于光学频率比微波频率高出4到5个数量级，因此在相同跃迁谱线线宽的条件下，光钟的不确定精度将优于微波钟100到1000倍。通俗地讲就是用它计时精度更高。此外，“光频标”技术不仅能提高计时精度，还能优化精密仪器制造、卫星定位等技术。

2012年6月30日，我国与全球同步进行闰秒调整。这多出的1秒，是靠原子微波钟测量的，它的计时测量可达上万年不出偏差。而原子“光钟”比原子微波钟又要精准许多，是人类无限追求时间精确度的产物。

据了解，掌握此项技术的国家有美国、德国、英国、加拿大、奥地利和日本。据悉，国际计量协会正在考虑重新定义时间基准，这项技术有望为我国在世界时间标准的定义上争得一定话语权。

应用

虽然没有人留意到日常生活中的差异，但是光学时钟在许多方面都极其有用。比如说，它能够让GPS导航精确到几厘米以内，而不是传统的几米范围。它也能帮助管理电网和计算机金融网络。

GPS定位需要连接至少四颗卫星，每一颗卫星都会提供一个时间标识，随后这些数据被用于推断装置的位置，比如说智能手机的定位。光学时钟都是大型的复杂装置，但是Menlo公司的研究人员研发了一个重量仅22公斤、宽22厘米的光学时钟。它也非常牢固，足以承受火箭发射时所带来的超快加速。

被送入太空的这座光学时钟只有GPS所使用原子时钟精准度的十分之一，但是它只是为了测试光学时钟在微重力太空环境下的能力。研究人员正计划设计一种升级版本，而且预计将在年底送入轨道。届时它将更加强壮，这样它就能够承受太空中的极端宇宙辐射，并连续工作数年时间。

2022年10月，据中国科学院消息，中国科研团队在国际上首次实现了百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒（千万亿分之一秒）量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19（相当于时钟约一千亿年的误差不超过一秒），可满足目前最高精度光钟的时间传递要求。