问题:时间基准是现代科技与国家基础能力的重要基础。目前国际单位制中的“秒”主要依赖微波原子钟实现,但随着卫星导航、深空探测、超高速通信和精密测量等需求的快速增长,微波标准精度和长期稳定性上已接近物理与工程极限。国际计量界正推动以光学频率标准替代微波标准重新定义“秒”,其中一项关键挑战是需要不同机构间通过多套独立光学时钟实现可重复、可比较的超低不确定度。谁能率先在光钟性能和系统性验证上取得优势,谁就更有可能在下一代全球时间基准框架中占据主动。 原因:光钟被视为新一代时间频率基准,关键在于其利用原子能级跃迁产生的光学频率信号作为“摆动源”,其频率远高于微波,天然具备更高分辨率。评价光钟性能主要看两项指标:一是稳定度,反映输出频率的噪声和长期一致性,决定测量精度;二是不确定度,反映测得频率与原子固有跃迁频率的偏差,决定结果的可信度。长期以来,全球光钟的综合性能大多停留在10^-18量级,深入提升受限于激光噪声、原子操控和环境扰动等多重耦合影响。 中国科学技术大学潘建伟、戴汉宁、陈宇翱、彭承志等科研人员针对这些瓶颈展开系统研究,在关键环节实现突破,使锶原子光晶格钟的稳定度和不确定度提升至10^-19量级。对应的成果已于3月5日发表在《计量学》(Metrologia)期刊上。 影响:10^-19量级的计时精度意味着约三百亿年误差不超过1秒。该水平显著优于国际“秒”重新定义的性能门槛要求,为我国在未来规则制定、国际比对和标准贡献中争取更大话语权提供了有力支撑。从应用角度看,超高精度时间基准将直接提升卫星导航授时、超远距离同步和高可靠通信能力;在测绘与地球科学领域,高性能光钟有望推动“相对论大地测量”等新方法落地,通过测量重力位差实现毫米级高程变化监测,服务于地壳形变、地下水变化评估和火山活动预警;在基础研究上,光钟还为检验广义相对论、探索引力波效应以及捕捉暗物质可能引发的瞬态信号提供了更灵敏的平台。 对策:要推动光钟成为国际标准体系的一部分,不仅需要单台光钟性能领先,还需建立系统化的工程与验证能力。一方面,需提升从超稳激光、原子操控到环境屏蔽和系统误差评估的全链条技术,形成可复制的装置和方法;另一方面,要加强国内外计量机构间的频率比对与溯源链建设,建立透明、可审计的误差预算和数据发布机制,支持国际同行评审和长期运行评估。同时,推动光钟从实验室设备向可搬运、可部署乃至星载形态发展,将加速其在国土监测、重大工程和新一代导航体系中的应用。 前景:随着多台高性能光钟实现网络化运行,未来全球时间基准将从“单点高精度”迈向“全域高稳定”,并与量子测量、空间基础设施和新型通信网络深度融合。围绕“秒”新定义的竞争将从单一指标比拼转向标准体系、比对网络和应用生态的综合竞争。此次突破为我国参与并引领相关国际进程奠定了坚实基础,也为构建更高精度、更高可靠性的国家时间频率体系提供了关键支撑。
时间是人类认识世界的基本尺度之一。从日晷到机械钟——从石英振荡器到铯原子钟——每一次精度的提升都深刻改变了科学认知与技术格局。中国科大团队此次在光钟领域的突破,不仅是实验室数据的刷新,更是中国基础科研能力系统性提升的体现。在精密计量此重要科技赛道上,中国正以扎实的原创成果稳步走向世界前沿。