中国科大锶原子光晶格钟实现300亿年误差不超过一秒

3月7日，大皖新闻记者从中国科学技术大学获悉，该校的科研团队在光钟研制方面取得了里程碑式进展。由潘建伟、戴汉宁、陈宇翱、彭承志等人组成的团队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至10的负19次方量级，相当于约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。

光钟作为光频段的原子钟，其性能指标主要包含两个要素：稳定度和准确度（或不确定度）。稳定度是指光钟输出频率的短期波动或随机变化。光钟的稳定度越高，意味着光钟能越快收敛到其固有精度，适用于实时高精度测量，如引力波探测、精密导航等。

光钟技术的突破性进展

中国科大团队研制的无死时间锶原子光晶格钟（Sr3）三维模型实现了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，超越传统粒子实验平台。

“光钟的稳定度与不确定度均突破10的负19次方量级时，将开启一系列重要的前沿应用。”

相关人员表示，光钟内的原子需要经过冷却、囚禁和态制备等一系列过程，才能为跃迁做好充足准备。这一过程不可避免地要花去大量时间，这段时间就称为“死时间”。在死时间内，超稳激光频率噪声会将混叠到原子跃迁频率上，导致光钟的长期稳定度变差。

无死时间光钟的创新设计

面对这一问题，中国科大团队设计了一个全新的高性能双原子系统光钟（Sr3）。这个双原子光钟内包含了两个锶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），在Sr3a光钟进行原子制备的时间内，Sr3b光钟进行原子跃迁探测；而当Sr3a光钟开始进行原子跃迁探测的时候，Sr3b光钟开始进入下一轮原子制备。Sr3光钟通过交替探询两个锶原子光晶格，从而实现无死时间（ZeroDeadTime，ZDT）光钟运行方案。

研究团队人员称，由于各类物理场的扰动（称为系统效应），每台光钟的实际输出频率和理想原子跃迁频率并不相等；而光钟要成为时间计量的基准，每台光钟就必须事先精细地评估出这一频率差，并给出相应的不确定度。

评估光钟准确度的挑战

光钟总的系统效应频移包括许多因素，而其评估误差在数值上则主要由黑体辐射频移、光晶格频移、密度频移、塞曼频移所主导。中国科大团队近期也针对制约锶光钟（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；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的负20次方量级。

“这些优化使Sr1钟的综合系统不确定度达到9.2乘以10的负19次方量级，相当于约300亿年的误差不超过1秒。”

光钟技术的未来应用

该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，并于近期取得多项突破性进展。在稳定度方面，突破了传统光钟限制，构建了零死时间架构和一套精密的双钟比对系统，并验证了2万秒积分时间内的长期稳定度的优越性。相关成果于日前发表于国际知名期刊《物理评论快报》。

中国科大团队研制的锶原子晶格光钟（Sr1）标志着中国在时间精密测量领域的研究水平已跻身国际最前列，也为发展可搬运光钟和星载光钟提供了可行的技术路径，为该技术在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基础。

从无死时间光钟技术到可移动光钟的研制，从“墨子号”的启示到远距离光钟对比的方案设计，光钟将逐步构建起一张覆盖全球乃至连接天地的量子精密测量网络。

大皖新闻记者魏鑫鑫

（图片来自中国科大）