我們衡量時間的方式,可能很快就要發生改變。
目前,全球通用的協調世界時(UTC)是由分布在全球近 85 個實驗室的大約 450 臺原子鐘共同計算得出的。這套體系運行穩定,但它所依賴的秒的定義,正面臨一次潛在的更新。
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來自澳大利亞阿德萊德大學的研究人員,聯合美國國家標準與技術研究院和英國國家物理實驗室,對下一代時間計量技術的未來進行了系統回顧。
他們的結論是,光學原子鐘已經發展到足以挑戰現有秒定義的階段。
這項綜述論文已發表在光學領域權威期刊《Optica》上。
光學原子鐘正接近成為新標準
研究團隊指出,光學原子鐘的技術進步速度極快。如果若干關鍵技術問題能夠解決,它們在未來幾年內有望成為全球時間計量的新“黃金標準”。
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阿德萊德大學光子學與先進傳感研究所的 Andre Luiten 教授表示,過去十年里,光學原子鐘的性能提升非常顯著。
它們的精度已經超過了目前最先進的微波原子鐘,并且開始具備走出實驗室環境的能力,而這恰恰是傳統原子鐘難以做到的。
光學原子鐘是如何工作的
光學原子鐘通常基于被激光冷卻并困在特定裝置中的原子或離子。
當科學家用激光反復探測這些原子時,原子只會在一個極其穩定、特定的光學頻率上發生響應。這個頻率可以被轉化為極其精確的“滴答”,從而用于計時。
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正是這種對原子躍遷頻率的極端控制,使光學原子鐘成為目前人類制造過的最精密測量工具之一。
從實驗室研究走向國際時間體系
論文回顧了過去十年光學原子鐘在關鍵技術上的進展,同時也總結了當前面臨的挑戰以及潛在的應用前景。
Luiten 教授指出,十年前,光學原子鐘還完全沒有參與國際時間體系的運行。但到今天,已經有至少 10 臺光學原子鐘被正式批準,用于國際時間的校準和維護。
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這標志著光學原子鐘已經不再只是實驗室中的研究設備,而是開始進入全球時間體系的實際運行層面。
不只是計時工具
研究人員同時指出,光學原子鐘的用途并不局限于計時。
由于其極高的精度和靈敏度,光學原子鐘可以作為重力傳感器使用,有望幫助建立一個不依賴海平面的國際高度參考系統。此外,它們還可能被用于測試基礎物理問題,例如暗物質相關效應。
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在應用層面,光學原子鐘還有潛力在衛星系統因太陽風暴或人為攻擊而中斷時,維持關鍵系統的高精度時間基準。
這一點已經引起了商業領域的高度關注,包括阿德萊德大學孵化企業 QuantX Labs 在內的多家公司,正在積極布局相關技術。
仍然存在的關鍵挑戰
盡管發展迅速,這項綜述也明確指出,光學原子鐘距離全面接管時間體系仍面臨多項挑戰。
其中之一是運行穩定性問題,目前許多光學原子鐘仍只能間歇性工作。此外,關于如何重新定義“秒”,國際上仍需作出關鍵決策,例如是選用單一類型的光學原子鐘,還是采用多種光學鐘共同作為新標準。這些方案都需要通過直接比較來驗證其可靠性。
另一個現實問題是關鍵部件的供應鏈尚不成熟,導致系統成本居高不下。不過研究人員認為,量子計算和生物科學領域的相關技術進展,可能會在未來推動光學原子鐘變得更加廉價和易于獲取。
時間計量正處在一個轉折點
論文第一作者、美國國家標準與技術研究院的 Tara Fortier 表示,光學原子鐘的性能幾乎以每十年提升百倍的速度進步,這得益于原子物理和激光科學的持續突破。
她指出,通過系統展示光學原子鐘的性能、潛在角色以及未來挑戰,研究團隊希望吸引更廣泛的科學與工程群體,參與到這一“自然界最精確計時器”的進一步發展中。
值得注意的是,NIST 正是為美國提供官方時間,并參與制定全球時間尺度的核心機構之一。這也意味著,關于秒的定義是否需要更新,已經不再只是實驗室里的設想,而是進入了國際計量體系的討論層面。
論文信息
Tara M. Fortier 等
《Optical atomic clocks: defining the future of time and frequency metrology》
期刊:《Optica》
發表時間:2026
DOI:10.1364/optica.575770
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