光学时钟“升天”助力精准导航

目前，据不完全统计，我国共有8家单位研制7种不同类型的10台光钟。其中在单离子囚禁光钟方向上，中国科学院武汉物理数学研究所正在开展钙（Ca+）离子光钟和铝（Al+）离子光钟研究，华中科技大学正在开展铝（Al+）离子光钟研究；在冷原子光晶格钟方向上，中国计量科学研究院和中科院国家守时中心正在开展锶（Sr）原子光晶格钟研究，华东师范大学和中科院武汉物数所正在开展镱（Yb）原子光晶格钟研究。

2012年中科院武汉物数所完成国内第一台钙（Ca+）离子光钟研制，绝对频率测量数据被CCTF接收，目前的频率不确定度为7×10-17。2015年中国计量科学研究院完成国内第一台锶（Sr）原子光晶格钟研制，绝对频率测量不确定度被CCTF接收，频率不确定度为2.3×10-16。

“不过，目前我国光钟研究和世界先进水平还有很大差距。从2005年开始，光钟研究先后得到了国家科技部‘973’计划、科技支撑计划、自然基金委重大研究计划和2016年开始的国家重点研发专项的支持。”方占军表示。

1秒钟的变迁

虽然在日常生活中，人们对于多一秒或少一秒、早一分钟或晚一分钟的感觉并不强烈，但精准的时间不仅可以实现更高准确度的世界协调时（UTC），而且由于光钟是目前测量准确度最高的物理学实验装置，还可用于检验诸如引力红移等基本物理理论的正确性和基本物理常数是否随时间变化。此外，在相对论中的大地测量领域，科学家通过测量放置在不同地方的两个高准度光钟的频率差，计算得知两地的地球引力势差和海拔高度差，未来实现对地球引力势变化的高精度监测。

不过，在光学时钟的研究过程中，科研人员不仅需要解决飞秒光梳技术难题，还需要解决原子操控、精密激光频率控制、超高真空、精密恒温隔振等关键技术。方占军表示：“这些都是系统装置，且相对复杂，技术难度较大。”

实际上，在光学时钟之前，人类经历了几次对于时间认知的提升。19世纪20年代，法国科学家将秒长定义为基于地球自转周期的平太阳秒，1秒是1个平太阳日的1/86400。这一关于1秒钟的定义一直沿用到1960年。“当时天文观测发现，地球围绕太阳的公转运动比地球的自转运动更稳定，平太阳秒被基于地球公转周期导出的历书秒所替代，1秒是1回归年的1/31556925.9747。”方占军说。

1967年，关于时间的定义被原子钟再次刷新，更为精确的原子秒是基于铯原子中电子能级间的微波跃迁周期来定义，即1秒等于铯133原子中电子基态超精细能级间跃迁的9192631770个周期所持续的时间。

“从平太阳秒到天文秒，再到原子秒，秒长定义所依赖的周期运动的频率从10-5赫兹和10-8赫兹提高到10-10赫兹，时间测量的分辨率大幅提高，秒长定义的复现准确度也相应提高。未来的光钟使用原子中电子能级间的光频跃迁周期来定义秒，其周期运动的频率一般在1014~1015赫兹量级，秒长定义的复现准确度会进一步提高。”方占军表示。