300亿年误差不超过一秒！中国科大实现锶原子光晶格钟新突破

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。

在稳定度性能方面，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”。

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。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。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）。

什么是“死时间”？为什么完全独立的两台光钟可以消除“死时间”？光钟走得准不准，又是靠什么判断？

▲图1 中国科学技术大学团队研制的无死时间锶原子光晶格钟（Sr3）三维模型

什么是“死时间”？

在回答这个问题之前，我们需要先回答一个更加基础的问题：什么是原子钟？

原子钟（Atomic clock）是一种以原子的固有共振频率标准来保持时间准确的时钟。原子钟依赖于原子中电子云的能级跃迁。通过特定频率的微波或激光使电子跃迁到更高的能量状态。这些利用电子跃迁来稳定激光或微波的振荡频率，从而提供钟表的“滴答”（时间脉冲）——每秒达数十亿甚至数万亿次。

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。

▲图2 锶原子在¹S₀和³P₀状态之间的跃迁作为光晶格钟的参考。当光信号与跃迁共振时，其频率可以被非常精确地界定。

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。

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（Sr3a和Sr3b），从而实现无死时间（Zero Dead Time, ZDT）光钟运行方案。

▲图3 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

利用基于ZDT的Sr3光钟，中国科大团队进一步将其与稳定性优化的参考光钟（Sr1）进行比对，实现两个完全独立的光钟之间的拍频稳定度可在1万~2万秒进入10⁻¹⁹量级，最佳在2万秒可达2.9×10⁻¹⁹，长期测量结果表明等效天稳可达2.5×10⁻¹⁹，是目前报道的最好的独立光钟比对结果之一。

这一结果证实了 ZDT 架构在长期稳定性方面的优越性，同时也降低了对极低噪声超稳激光的依赖且在相对紧凑的系统中实现。因此，这种方法在实用的高性能可搬运光钟及空间光钟系统中具有重要应用前景，拓展了ZDT架构的适用性。

▲图4 两个独立光钟拍频比对结果及各自稳定度分析

如何评估光钟是否“走得准”？

不确定度是光钟的另一类性能，反映了输出频率的准确性。作为将来更新秒定义的前提之一，单台光钟相对频率不确定度应当小于2×10⁻¹⁸。为什么会有这样的要求？实际上，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。越小的不确定度代表着越高的输出频率准确度，也需要更复杂的测量方法和更细致的实验操作。此外更新秒定义还对光钟-光钟间的频率符合度提出严格要求。而开展高精度光钟间比对实验，事实上也要求更多台高准确度光钟的建设。

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，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。

▲图5 锶原子光钟的物理核心——原子囚禁与量子探询系统。（1）原子冷却（磁光阱）： 在中心的八角形超高真空腔内，激光与磁场交织构建出一座“磁光陷阱”。它能将锶原子的热运动“减速降温”，使其温度降至微开尔文。（2）原子囚禁（光晶格）： 竖直斜22.5度方向的激光被关在谐振腔内，通过干涉增强在空间中构建出周期性的“光势阱阵列”，如同一个由光构成的“一维格点”。冷却后的原子被囚禁在这些晶格节点中，从而消除运动带来的测量干扰。（3）精密读秒（探询）： 最后，极窄线宽的钟激光作为“探针”，读取这些悬浮在真空中的原子的量子振荡频率，输出超高精度的时间标准。

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。

飞向太空的光钟

随着我国科学团队自主研制的光钟在稳定度、不确定度等方面性能的不断突破，光钟的发展将不止于对时间本身的测量，而将成为人类探索宇宙深层奥秘的一把钥匙，在引力波探测、暗物质探索、全球时间基准等基础科学领域发挥重要作用。

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。相信在不远的未来，随着中国自主研制的高性能光钟升入太空，我们不仅将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。

▲图6 中国科学技术大学团队研制的锶原子晶格光钟（Sr1）

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