300亿年误差不到1秒！我国光钟技术取得里程碑式突破

时间精度达到新高度，为下一代“秒”定义变更提供关键技术支撑

在这个快节奏的时代，时间精确到秒已经远远不够。近日，我国科研人员在时间测量领域取得了一项令人惊叹的突破——研制出精度达到300亿年误差不超过1秒的锶原子光晶格钟。这一成果由中国科学技术大学潘建伟、戴汉宁、陈宇翱、彭承志等科研人员完成，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。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）。

从“时钟”到“光钟”的跨越

人类对时间的测量精度，从未停止追求。从日晷到机械钟，从石英钟到原子钟，每一次进步都推动着科技的革命。

目前，国际单位制中“秒”的定义是基于铯原子微波钟实现的。而光钟，则是利用原子内部能级跃迁产生的更高频率信号来定义时间，精度较现有微波时间标准可提升4个数量级。可以形象地理解，如果传统微波钟的精度相当于用普通尺子测量头发丝的直径，那么光钟就相当于用显微镜观测原子尺度。

光钟作为当今最精密的时间频率标准，其性能主要由两大核心指标衡量：稳定度与不确定度，均为数值越小则性能越优。

• 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的偏差程度，决定了测量结果的可信度。

图.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

突破10⁻¹⁹量级的技术攻关

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。

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，研究团队设计并构建了一套精密的双钟比对系统，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）。

什么是“死时间”？对于一台光钟内的原子来说，它需要先经过冷却、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。

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。

在不确定度方面，团队针对制约锶光钟（Sr1）精度的核心系统效应展开了攻关。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。

这些优化使Sr1钟的综合系统不确定度达到 9.2×10⁻¹⁹，相当于约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。

从地面到太空的广阔前景

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：

实现毫米级重力位与高度精密测量。光钟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。光钟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，为揭示宇宙奥秘提供新工具。

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）。这意味着，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。

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。值得一提的是，此前中国科学院国家授时中心自主研制的锶光钟NTSC-Sr2已被用作次级基准校准国际原子时，实现了我国光钟对国际原子时的首次驾驭，标志着我国在世界标准时间产生体系中实现了从“参与者”到“决策者”的跨越。

随着我国自主研制的高性能光钟未来升入太空，将有望实现洲际间高精度频率比对、全球统一时间基准的建设，更可能率先开启量子光钟网络的新时代。从检验基本物理学定律，到支撑下一代卫星导航系统，再到构建全球统一超高精度时间基准，光钟技术正在为人类探索宇宙、理解自然规律提供前所未有的精密工具。

在不远的将来，当“秒”的定义被重新书写，当引力波的探测有了更敏锐的耳朵，当暗物质的神秘面纱被缓缓揭开，今天这项突破的意义将被更加深刻地认识。时间，这个人类最熟悉的物理量，正在中国科学家的努力下，被赋予全新的精度和内涵。