中国科学家攻克光钟研制关键难题,锶原子光晶格钟精度突破10的负19次方量级,刷新人类计时极限,标志中国在全球时间基准领域掌握核心话语权

问题——更高精度的“时间标尺”从何而来、为何必需。

时间与频率基准是现代科学技术体系的底座之一。

从卫星导航、通信同步到金融交易时间戳,再到深空探测与重大科学装置运行,几乎都依赖统一、稳定、可追溯的授时体系。

现行国际通用的时间体系以原子钟群为基础,由全球多家计量与授时机构共同参与维护。

随着应用场景对同步精度提出更高要求,传统微波原子钟的性能逼近极限,亟需在更高频段寻找更稳定的“摆动”,以支撑下一代时间基准能力与相关产业升级。

原因——光钟为何能将误差压到“300亿年不差1秒”的量级。

光晶格钟以原子跃迁对应的光学频率作为“计时节拍”。

与微波频段相比,光学频率更高,相当于在同样时间内完成更多“振动计数”,天然具备更精细的分辨能力。

锶原子光晶格钟通过在光晶格中俘获并冷却锶原子,显著降低原子热运动带来的频移与噪声;同时依靠超稳激光、精密光学频率梳以及系统误差评估与补偿,将外界环境扰动、黑体辐射效应、磁场与碰撞等引起的不确定因素逐项压低。

此次科研团队实现稳定度与不确定度双双达到10的负19次方量级,意味着既“走得稳”又“校得准”,为更高等级时间频率基准打下关键技术基础。

影响——从“计时更准”走向“测量更深”。

时间测得更准,带来的不仅是钟表性能提升,更是测量能力边界的扩展。

其一,提升授时与同步水平。

以卫星导航为例,定位本质是测距,而测距核心依赖电磁波传播时间的精确测量。

时间误差即便极其微小,也会放大为距离误差。

更高精度的光钟为未来将导航定位从米级进一步逼近厘米级提供了重要支撑。

其二,推动地球科学精密观测。

按照广义相对论,引力势不同会导致时间流速差异。

高性能光钟能够分辨由厘米级高度差带来的时间变化,为重力势测量、地球重力场精细描绘、地下结构探测等提供新手段,被形象称为用“时间探针”开展地球“体检”。

其三,服务基础科学检验与前沿探索。

更高精度的频率测量可用于检验基本物理常数是否随时间或环境变化、探索超精细相互作用等,为基础科学研究提供更严格的实验条件。

对策——让光钟从实验室走向工程化应用。

光钟高性能的取得依赖苛刻条件:超稳激光、超高真空、低噪声环境与复杂的系统控制,现阶段仍以大型地面实验装置为主。

下一步关键在于工程化与标准化:一是推动关键器件国产化与稳定供应,提升长期运行可靠性与可维护性;二是开展可搬运、可组网的光钟系统研制,与国家授时体系和计量溯源体系更紧密对接,形成可复制的高精度时间服务能力;三是加强与通信、电力、金融、航天等行业的应用验证,形成从“性能指标”到“系统能力”的转化闭环;四是参与国际比对与互认,在统一的技术规则与数据框架下贡献高质量测量结果,提升我国在全球时间频率基准体系中的贡献度与影响力。

前景——迈向更高精度时间基准与更广泛应用场景。

业内普遍认为,光钟正在成为未来时间基准的重要方向。

随着体积缩小、环境适应性增强以及组网技术成熟,光钟有望从地面实验室逐步走向重大科学装置、国家授时节点乃至航天平台,为下一代导航系统、深空探测任务、全球高精度同步网络提供核心支撑。

与此同时,围绕光钟的高端光学器件、超稳频率控制、精密测量与系统集成也将带动相关产业链升级。

可以预期,更高精度的时间标尺将不断打开科学发现与工程应用的新空间。

时间测量的精度,从来都是人类文明进步的刻度。

从"北京时间"到"中国精度",这项突破不仅彰显我国基础研究的厚积薄发,更预示着在量子时代的技术竞争中,对基础物理量的极致测量能力将成为国家科技实力的新标尺。

当300亿年的时光可以被精准丈量,人类探索未知世界的边界也将被重新定义。