300億年誤差不超過一秒！中國科大實現鍶原子光晶格鐘新突破

近期，中國科學技術大學潘建偉、戴漢寧、陳宇翱、彭承志等在光鐘研制方面取得里程碑式進展，成功將鍶原子光晶格鐘的穩定度和不確定度指標全面突破10?1?量級，相當于約300億年的誤差不超過1秒。這一成果標志著我國在時間精密測量領域的研究水平已躋身國際最前列。

在穩定度性能方面，研究團隊設計并構建了一套精密的雙鐘比對系統，該系統包含兩個完全獨立的鍶原子光晶格鐘：一個是經過細致優化的高性能參考鐘（Sr1），另一個是集成了兩套緊湊型原子系統的零死時間鐘（Sr3）。零死時間鐘通過高精度時序同步與交替Ramsey光譜探測，使得合成后的靈敏度函數在整個周期內幾乎恒為1，從而實現了對本地振蕩器頻率的連續檢測，顯著抑制了迪克效應。通過兩臺獨立鍶光鐘的直接拍頻比對，驗證了2萬秒積分時間內的長期穩定度優于2.9×10?1?。相關成果于2025年12月發表于國際知名物理學期刊《物理評論快報》，被審稿人評價為“實現了前所未有的10?1?穩定度”。

在不確定度方面，研究團隊針對制約鍶光鐘（Sr1）精度的核心系統效應展開了攻關。團隊通過建立經原位驗證的空間分辨有限元模型，結合17個高精度溫度探測器的實時監測，將黑體輻射頻移不確定度降至 6.3×10?1?；采用晶格腔設計擴大光束腰斑，同時優化原子溫度，顯著抑制原子碰撞導致的密度頻移，其不確定度被壓制至10?2?量級；通過測量鍶原子極化率等物理參量，將晶格光頻移不確定度降低至6.3×10?1?；通過精密表征磁不敏感躍遷的二階塞曼系數，將磁頻移不確定度控制在10?1?水平。這些優化使Sr1鐘的綜合系統不確定度達到 9.2×10?1?，相當于約300億年的誤差不超過1秒，成為滿足國際單位制秒重新定義要求的高精度光鐘之一。相關成果于3月5日發表于國際計量領域核心期刊《計量學》（Metrologia）。

什么是“死時間”？為什么完全獨立的兩臺光鐘可以消除“死時間”？光鐘走得準不準，又是靠什么判斷？

▲圖1 中國科學技術大學團隊研制的無死時間鍶原子光晶格鐘（Sr3）三維模型

什么是“死時間”？

在回答這個問題之前，我們需要先回答一個更加基礎的問題：什么是原子鐘？

原子鐘（Atomic clock）是一種以原子的固有共振頻率標準來保持時間準確的時鐘。原子鐘依賴于原子中電子云的能級躍遷。通過特定頻率的微波或激光使電子躍遷到更高的能量狀態。這些利用電子躍遷來穩定激光或微波的振蕩頻率，從而提供鐘表的“滴答”（時間脈沖）——每秒達數十億甚至數萬億次。

光鐘作為光頻段的原子鐘，其性能指標主要包含兩個要素：穩定度和準確度（或不確定度）。穩定度是指光鐘輸出頻率的短期波動或隨機變化。光鐘的穩定度越高，意味著光鐘能越快收斂到其固有精度，適用于實時高精度測量，如引力波探測、精密導航等。

▲圖2 鍶原子在1S?和3P?狀態之間的躍遷作為光晶格鐘的參考。當光信號與躍遷共振時，其頻率可以被非常精確地界定。

對于一臺光鐘內的原子來說，它需要先經過冷卻、囚禁和態制備等一系列過程，才能為躍遷做好充足準備。這一過程不可避免地要花去大量時間，這段時間就稱為“死時間”。在死時間內，超穩激光頻率噪聲會將混疊到原子躍遷頻率上，導致光鐘的長期穩定度變差。

面對這一問題，中國科大團隊設計了一個全新的高性能雙原子系統光鐘（Sr3）。這個雙原子光鐘內包含了兩個鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），在Sr3a光鐘進行原子制備的時間內，Sr3b光鐘進行原子躍遷探測；而當Sr3a光鐘開始進行原子躍遷探測的時候，Sr3b光鐘開始進入下一輪原子制備。Sr3光鐘通過交替探詢兩個鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），從而實現無死時間（Zero Dead Time, ZDT）光鐘運行方案。

▲圖3 鍶原子光鐘Sr1和Sr3，其中Sr3由雙物理系統組成，并交替運行。Sr1、Sr3兩個獨立光鐘之間開展了頻率比對

利用基于ZDT的Sr3光鐘，中國科大團隊進一步將其與穩定性優化的參考光鐘（Sr1）進行比對，實現兩個完全獨立的光鐘之間的拍頻穩定度可在1萬~2萬秒進入10?1?量級，最佳在2萬秒可達2.9×10?1?，長期測量結果表明等效天穩可達2.5×10?1?，是目前報道的最好的獨立光鐘比對結果之一。

這一結果證實了 ZDT 架構在長期穩定性方面的優越性，同時也降低了對極低噪聲超穩激光的依賴且在相對緊湊的系統中實現。因此，這種方法在實用的高性能可搬運光鐘及空間光鐘系統中具有重要應用前景，拓展了ZDT架構的適用性。

▲圖4 兩個獨立光鐘拍頻比對結果及各自穩定度分析

如何評估光鐘是否“走得準”？

不確定度是光鐘的另一類性能，反映了輸出頻率的準確性。作為將來更新秒定義的前提之一，單臺光鐘相對頻率不確定度應當小于2×10?1?。為什么會有這樣的要求？實際上，由于各類物理場的擾動（稱為系統效應），每臺光鐘的實際輸出頻率和理想原子躍遷頻率并不相等；而光鐘要成為時間計量的基準，每臺光鐘就必須事先精細地評估出這一頻率差，并給出相應的不確定度。越小的不確定度代表著越高的輸出頻率準確度，也需要更復雜的測量方法和更細致的實驗操作。此外更新秒定義還對光鐘-光鐘間的頻率符合度提出嚴格要求。而開展高精度光鐘間比對實驗，事實上也要求更多臺高準確度光鐘的建設。

光鐘總的系統效應頻移包括許多因素，而其評估誤差在數值上則主要由黑體輻射頻移、光晶格頻移、密度頻移、塞曼頻移所主導。

中國科大團隊近期也針對制約鍶光鐘（Sr1）精度的核心系統效應展開了攻關。團隊通過建立經原位驗證的空間分辨有限元模型，結合17個高精度溫度探測器的實時監測，將黑體輻射頻移不確定度降至 6.3×10?1?；采用晶格腔設計擴大光束腰斑，同時優化原子溫度，顯著抑制原子碰撞導致的密度頻移，其不確定度被壓制至10?2?量級；通過測量鍶原子極化率等物理參量，將晶格光頻移不確定度降低至6.3×10?1?；通過精密表征磁不敏感躍遷的二階塞曼系數，將磁頻移不確定度控制在10?1?水平。

▲圖5 鍶原子光鐘的物理核心——原子囚禁與量子探詢系統。（1）原子冷卻（磁光阱）： 在中心的八角形超高真空腔內，激光與磁場交織構建出一座“磁光陷阱”。它能將鍶原子的熱運動“減速降溫”，使其溫度降至微開爾文。（2）原子囚禁（光晶格）： 豎直斜22.5度方向的激光被關在諧振腔內，通過干涉增強在空間中構建出周期性的“光勢阱陣列”，如同一個由光構成的“一維格點”。冷卻后的原子被囚禁在這些晶格節點中，從而消除運動帶來的測量干擾。（3）精密讀秒（探詢）： 最后，極窄線寬的鐘激光作為“探針”，讀取這些懸浮在真空中的原子的量子振蕩頻率，輸出超高精度的時間標準。

這些優化使Sr1鐘的綜合系統不確定度達到 9.2×10?1?，相當于約300億年的誤差不超過1秒，成為滿足國際單位制秒重新定義要求的高精度光鐘之一。

飛向太空的光鐘

隨著我國科學團隊自主研制的光鐘在穩定度、不確定度等方面性能的不斷突破，光鐘的發展將不止于對時間本身的測量，而將成為人類探索宇宙深層奧秘的一把鑰匙，在引力波探測、暗物質探索、全球時間基準等基礎科學領域發揮重要作用。

從無死時間光鐘技術到可移動光鐘的研制，從“墨子號”的啟示到遠距離光鐘對比的方案設計，光鐘將逐步構建起一張覆蓋全球乃至連接天地的量子精密測量網絡。相信在不遠的未來，隨著中國自主研制的高性能光鐘升入太空，我們不僅將實現洲際間高精度頻率比對、全球統一時間基準的建設，更可能率先開啟量子光鐘網絡的新時代。

▲圖6 中國科學技術大學團隊研制的鍶原子晶格光鐘（Sr1）

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