问题:时间是现代科技体系的“基础量”。
当前国际单位制中“秒”的实现主要依托微波原子钟,尽管已广泛应用于卫星导航、通信同步和科学实验,但在更高精度需求面前逐渐接近物理与工程极限。
国际计量界正推动以光学跃迁频率为基础重定义“秒”,对光学时钟提出更严苛门槛:不仅要更“稳”、更“准”,还要经多机构独立比对验证,形成可被全球接受的统一时间基准。
原因:光钟性能提升的关键,集中体现在稳定度与不确定度两项核心指标上。
稳定度反映时钟频率输出的噪声水平与长期一致性,决定测量的精密程度;不确定度刻画系统测得频率与原子跃迁固有频率之间的偏差,决定测量结果的可信度。
过去相当长时期,国际上光钟综合性能多停留在10^-18量级,受限于激光频率噪声控制、原子系综操控、环境扰动抑制以及系统误差评估等多重因素。
中国科学技术大学潘建伟、戴汉宁、陈宇翱、彭承志等科研人员围绕上述瓶颈开展长期系统攻关,近期在关键技术与系统误差控制方面取得系列进展,使锶原子光晶格钟稳定度与不确定度实现双10量级突破,综合系统不确定度达到9.2×10^-19。
相关成果于3月5日发表于国际计量领域期刊《计量学》。
影响:这一跨越意味着我国高精度时间频率标准能力实现明显跃升。
按该不确定度水平折算,约300亿年累计误差不超过1秒,已显著高于国际计量界对“秒”重定义的门槛要求(通常要求至少3个独立光学时间标准不确定度优于2×10^-18并完成多机构验证)。
从应用层面看,高精度光钟将为国家重大工程提供更可靠的时间基准:其一,支撑更高精度的卫星导航与通信网络同步,提高授时能力与系统安全韧性;其二,推动精密测量能力升级,尤其在重力位与高度测量方面具备潜在优势,为毫米级大地测量提供可能,可服务地壳形变监测、地下水变化评估、火山活动预警和高精度大地水准面更新等任务,增强灾害风险识别与资源勘探支撑能力;其三,为基础物理研究开辟新平台,可用于更严格检验广义相对论、探索引力波相关效应,并为暗物质等前沿问题提供新的观测手段。
对策:面向“秒”重定义与规模化应用的双重目标,下一步仍需在三方面持续发力。
首先,强化跨机构比对与溯源体系建设,形成可重复、可验证、可共享的计量链条,提升我国在国际时间频率规则制定中的参与度与贡献度。
其次,推进工程化与场景化应用,围绕可搬运光钟、星载光钟等方向完善系统集成、环境适应与长期稳定运行能力,推动从实验室高性能走向可部署能力。
再次,加强基础器件与关键工艺自主可控,持续提升激光、真空、温控、光频梳等核心部件的性能一致性与可靠性,为长期运行和批量应用奠定基础。
前景:国际时间标准正处在由微波向光学跃迁的关键窗口期。
随着更多独立光钟达到更低不确定度并完成互认比对,全球统一时间基准有望迈入更高精度的新阶段。
此次我国锶原子光晶格钟取得双10量级突破,不仅提升了我国在精密计量领域的国际竞争力,也为在未来“秒”重定义进程中提供高质量技术方案创造了条件。
可以预期,围绕时间频率标准形成的技术外溢效应,将持续带动导航、通信、空间科学与地球观测等多领域协同升级。
时间精度的每一次飞跃,都深刻改变着人类认识世界的方式。
从日晷到机械钟,从石英振荡到原子钟,再到如今的光钟时代,我国科研工作者用自主创新的坚实步伐,在这场关乎国家核心竞争力的精密测量竞赛中实现了从跟跑到并跑再到局部领跑的历史性跨越。
这项突破不仅彰显了我国基础研究的雄厚实力,更预示着中国将在塑造未来全球科技标准体系中发挥越来越重要的作用。