时间将重新被定义，光学原子钟时代即将来临

我们衡量时间的方式，可能很快就要发生改变。

目前，全球通用的协调世界时（UTC）是由分布在全球近 85 个实验室的大约 450 台原子钟共同计算得出的。这套体系运行稳定，但它所依赖的秒的定义，正面临一次潜在的更新。

来自澳大利亚阿德莱德大学的研究人员，联合美国国家标准与技术研究院和英国国家物理实验室，对下一代时间计量技术的未来进行了系统回顾。

他们的结论是，光学原子钟已经发展到足以挑战现有秒定义的阶段。

这项综述论文已发表在光学领域权威期刊《Optica》上。

光学原子钟正接近成为新标准

研究团队指出，光学原子钟的技术进步速度极快。如果若干关键技术问题能够解决，它们在未来几年内有望成为全球时间计量的新“黄金标准”。

阿德莱德大学光子学与先进传感研究所的 Andre Luiten 教授表示，过去十年里，光学原子钟的性能提升非常显著。

它们的精度已经超过了目前最先进的微波原子钟，并且开始具备走出实验室环境的能力，而这恰恰是传统原子钟难以做到的。

光学原子钟是如何工作的

光学原子钟通常基于被激光冷却并困在特定装置中的原子或离子。

当科学家用激光反复探测这些原子时，原子只会在一个极其稳定、特定的光学频率上发生响应。这个频率可以被转化为极其精确的“滴答”，从而用于计时。

正是这种对原子跃迁频率的极端控制，使光学原子钟成为目前人类制造过的最精密测量工具之一。

从实验室研究走向国际时间体系

论文回顾了过去十年光学原子钟在关键技术上的进展，同时也总结了当前面临的挑战以及潜在的应用前景。

Luiten 教授指出，十年前，光学原子钟还完全没有参与国际时间体系的运行。但到今天，已经有至少 10 台光学原子钟被正式批准，用于国际时间的校准和维护。

这标志着光学原子钟已经不再只是实验室中的研究设备，而是开始进入全球时间体系的实际运行层面。

不只是计时工具

研究人员同时指出，光学原子钟的用途并不局限于计时。

由于其极高的精度和灵敏度，光学原子钟可以作为重力传感器使用，有望帮助建立一个不依赖海平面的国际高度参考系统。此外，它们还可能被用于测试基础物理问题，例如暗物质相关效应。

在应用层面，光学原子钟还有潜力在卫星系统因太阳风暴或人为攻击而中断时，维持关键系统的高精度时间基准。

这一点已经引起了商业领域的高度关注，包括阿德莱德大学孵化企业 QuantX Labs 在内的多家公司，正在积极布局相关技术。

仍然存在的关键挑战

尽管发展迅速，这项综述也明确指出，光学原子钟距离全面接管时间体系仍面临多项挑战。

其中之一是运行稳定性问题，目前许多光学原子钟仍只能间歇性工作。此外，关于如何重新定义“秒”，国际上仍需作出关键决策，例如是选用单一类型的光学原子钟，还是采用多种光学钟共同作为新标准。这些方案都需要通过直接比较来验证其可靠性。

另一个现实问题是关键部件的供应链尚不成熟，导致系统成本居高不下。不过研究人员认为，量子计算和生物科学领域的相关技术进展，可能会在未来推动光学原子钟变得更加廉价和易于获取。

时间计量正处在一个转折点

论文第一作者、美国国家标准与技术研究院的 Tara Fortier 表示，光学原子钟的性能几乎以每十年提升百倍的速度进步，这得益于原子物理和激光科学的持续突破。

她指出，通过系统展示光学原子钟的性能、潜在角色以及未来挑战，研究团队希望吸引更广泛的科学与工程群体，参与到这一“自然界最精确计时器”的进一步发展中。

值得注意的是，NIST 正是为美国提供官方时间，并参与制定全球时间尺度的核心机构之一。这也意味着，关于秒的定义是否需要更新，已经不再只是实验室里的设想，而是进入了国际计量体系的讨论层面。

论文信息

Tara M. Fortier 等
《Optical atomic clocks: defining the future of time and frequency metrology》
期刊：《Optica》
发表时间：2026
DOI：10.1364/optica.575770