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近期，中国科学技术大学潘建伟、戴汉宁、陈宇翱、彭承志等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10-19量级，相当于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。6 O* \) B) A8 ~2 \2 N: i: x. j# x
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光钟作为当今最精密的时间频率标准，其核心在于利用原子内部能级跃迁产生的频率信号来定义时间。光钟能提供极高的计时精度，将直接支撑国际单位制中“秒”的重新定义，使全球时间标准迈入光学时代，精度较现有微波时间标准提升4个数量级。光钟还能为卫星导航、通信和精密测量等现代科技提供可靠的时间基准，同时为检验广义相对论、探测引力波和暗物质等物理学基础研究领域提供全新的平台。( u2 i. u) w2 Q0 U$ ?( q3 x6 R
. T# k5 R; u2 f7 o6 `- b光钟的性能主要由稳定度与不确定度两大核心指标（均为数值越小则性能越优）衡量：稳定度表征时钟输出频率的噪声水平与长期一致性，决定了测量结果的精密性；不确定度则量化了时钟频率与微观粒子能级跃迁固有频率（即绝对真值）的偏差程度，决定了测量结果的可信度。
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当光钟的稳定度与不确定度均突破10-19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。& a; Y! q8 {( S2 |
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特别是，这一精度水平已显著超过国际计量界对“秒”重新定义的门槛要求（国际标准要求至少3个独立光学时间标准的不确定度优于2×10-18，并经多机构验证）。稳定度与不确定度双10-19性能可直接为我国在未来“秒”的重新定义中贡献关键技术并实现主导。
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以往，全球光钟的稳定度与不确定度综合性能主要停留在10-18量级，仅少数顶尖机构（如美国国家标准与技术研究院、德国联邦物理技术研究院等）接近或触及该水平。中国科大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，于近期取得多项突破性进展。
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在稳定度方面，传统光钟采用的周期性探询序列工作模式会引入“迪克效应”，即本地振荡激光的噪声在被混叠到原子跃迁中，成为限制其中长期稳定度的主要瓶颈。为突破这一限制，零死时间架构应运而生。该方案利用两个原子系综交替工作，实现对钟激光频率的近乎连续监测与反馈，从而极大抑制迪克效应。尽管该技术在微波钟中已较为成熟，但其在光钟中的应用仍面临巨大挑战，尤其是实现独立光学钟比对达到亚10-18稳定度的实验验证尚属空白。
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4 C+ ]0 k& m8 @* O# h m8 q针对上述挑战，研究团队设计并构建了一套精密的双钟比对系统，该系统包含两个完全独立的锶原子光晶格钟：一个是经过细致优化的高性能参考钟（Sr1），另一个是集成了两套紧凑型原子系统的零死时间钟（Sr3）。零死时间钟通过高精度时序同步与交替Ramsey光谱探测，使得合成后的灵敏度函数在整个周期内几乎恒为1，从而实现了对本地振荡器频率的连续检测，显著抑制了迪克效应。通过两台独立锶光钟的直接拍频比对，验证了2万秒积分时间内的长期稳定度优于2.9×10-19。相关成果于2025年12月发表于国际知名物理学期刊《物理评论快报》，被审稿人评价为“实现了前所未有的10-19稳定度”。2 d: R' i8 A& ^% ?( t
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4 z- [0 T5 J# M图1.锶原子光钟Sr1和Sr3，其中Sr3由双物理系统组成，并交替运行。Sr1、Sr3两个独立光钟之间开展了频率比对5 A$ T% A" P/ W& S! |: I1 u
0 n4 h2 f0 Z. o/ a/ x; ^在不确定度方面，研究团队针对制约锶光钟（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，将黑体辐射频移不确定度降至 6.3×10-19；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10-20量级；通过测量锶原子极化率等物理参量，将晶格光频移不确定度降低至6.3×10-19；通过精密表征磁不敏感跃迁的二阶塞曼系数，将磁频移不确定度控制在10-19水平。9 s9 r: k) y0 X$ M( t
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# t6 n3 k0 k5 w6 B" ]# u图2.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 s0 x M9 Y3 }9 I3 o# p6 y
; E9 J) S+ ]6 z* M |, L6 @" `这些优化使Sr1钟的综合系统不确定度达到 9.2×10-19，相当于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。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》（Metrologia）。审稿人评价该成果“对秒的重新定义讨论具有重要意义”，“实现了总系统不确定度低于10-18的极高精度的光晶格钟，性能处于世界上最顶尖梯队”。7 q- t/ B: T1 T
! C- T( {9 a9 l* M; {+ [相关成果不仅使得我国在光钟研制方面跻身国际顶尖梯队，也为发展可搬运光钟和星载光钟提供了可行的技术路径，为光钟技术在检验基本物理学定律、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坚实可靠的基础。2 L6 T) U5 m, C2 A7 s
4 l9 X- e8 e4 q上述研究工作得到国家科技重大专项、国家自然科学基金委、中国科学院、科技部、教育部及安徽省、合肥市、上海市、新基石基金等的支持。 |
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