300億年誤差不超過(guò)一秒！中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)鍶原子光晶格鐘新突破

大皖新聞?dòng)?/strong>3月7日，大皖新聞?dòng)浾邚闹袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，近期該校潘建偉、戴漢寧、陳宇翱、彭承志等科研人員在光鐘研制方面取得里程碑式進(jìn)展，成功將鍶原子光晶格鐘的穩(wěn)定度和不確定度指標(biāo)全面突破10的負(fù)19次方量級(jí)，相當(dāng)于約300億年的誤差不超過(guò)1秒。這一成果標(biāo)志著我國(guó)在時(shí)間精密測(cè)量領(lǐng)域的研究水平已躋身國(guó)際最前列。

什么是“死時(shí)間”

相關(guān)人員介紹，原子鐘是一種以原子的固有共振頻率標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保持時(shí)間準(zhǔn)確的時(shí)鐘。原子鐘依賴于原子中電子云的能級(jí)躍遷。通過(guò)特定頻率的微波或激光使電子躍遷到更高的能量狀態(tài)。這些利用電子躍遷來(lái)穩(wěn)定激光或微波的振蕩頻率，提供鐘表的“滴答”（時(shí)間脈沖）——每秒達(dá)數(shù)十億甚至數(shù)萬(wàn)億次。

光鐘作為光頻段的原子鐘，其性能指標(biāo)主要包含兩個(gè)要素：穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度（或不確定度）。穩(wěn)定度是指光鐘輸出頻率的短期波動(dòng)或隨機(jī)變化。光鐘的穩(wěn)定度越高，意味著光鐘能越快收斂到其固有精度，適用于實(shí)時(shí)高精度測(cè)量，如引力波探測(cè)、精密導(dǎo)航等。

中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)研制的無(wú)死時(shí)間鍶原子光晶格鐘（Sr3）三維模型

當(dāng)光鐘的穩(wěn)定度與不確定度均突破10的負(fù)19次方量級(jí)時(shí)，將開(kāi)啟一系列重要的前沿應(yīng)用，例如，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)重力位與高度精密測(cè)量，可用于監(jiān)測(cè)地殼形變、地下水位變化、火山活動(dòng)預(yù)警及高精度大地水準(zhǔn)面更新，支持災(zāi)害防控與資源勘探；提供暗物質(zhì)探測(cè)的新方法，可捕捉暗物質(zhì)引起的瞬態(tài)低頻信號(hào)，有望超越傳統(tǒng)粒子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

相關(guān)人員表示，對(duì)于一臺(tái)光鐘內(nèi)的原子來(lái)說(shuō)，它需要先經(jīng)過(guò)冷卻、囚禁和態(tài)制備等一系列過(guò)程，才能為躍遷做好充足準(zhǔn)備。這一過(guò)程不可避免地要花去大量時(shí)間，這段時(shí)間就稱為“死時(shí)間”。在死時(shí)間內(nèi)，超穩(wěn)激光頻率噪聲會(huì)將混疊到原子躍遷頻率上，導(dǎo)致光鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定度變差。

面對(duì)這一問(wèn)題，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的高性能雙原子系統(tǒng)光鐘（Sr3）。這個(gè)雙原子光鐘內(nèi)包含了兩個(gè)鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），在Sr3a光鐘進(jìn)行原子制備的時(shí)間內(nèi)，Sr3b光鐘進(jìn)行原子躍遷探測(cè)；而當(dāng)Sr3a光鐘開(kāi)始進(jìn)行原子躍遷探測(cè)的時(shí)候，Sr3b光鐘開(kāi)始進(jìn)入下一輪原子制備。Sr3光鐘通過(guò)交替探詢兩個(gè)鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），從而實(shí)現(xiàn)無(wú)死時(shí)間（ZeroDeadTime,ZDT）光鐘運(yùn)行方案。

如何評(píng)估光鐘是否“走得準(zhǔn)”

研究團(tuán)隊(duì)人員稱，由于各類物理場(chǎng)的擾動(dòng)（稱為系統(tǒng)效應(yīng)），每臺(tái)光鐘的實(shí)際輸出頻率和理想原子躍遷頻率并不相等；而光鐘要成為時(shí)間計(jì)量的基準(zhǔn)，每臺(tái)光鐘就必須事先精細(xì)地評(píng)估出這一頻率差，并給出相應(yīng)的不確定度。而開(kāi)展高精度光鐘間比對(duì)實(shí)驗(yàn)，事實(shí)上也要求更多臺(tái)高準(zhǔn)確度光鐘的建設(shè)。

光鐘總的系統(tǒng)效應(yīng)頻移包括許多因素，而其評(píng)估誤差在數(shù)值上則主要由黑體輻射頻移、光晶格頻移、密度頻移、塞曼頻移所主導(dǎo)。

鍶原子光鐘Sr1裝置系統(tǒng)圖，通過(guò)系統(tǒng)性優(yōu)化提升后，綜合評(píng)估了各系統(tǒng)頻移因素的影響

中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)近期也針對(duì)制約鍶光鐘（Sr1）精度的核心系統(tǒng)效應(yīng)展開(kāi)了攻關(guān)。團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立經(jīng)原位驗(yàn)證的空間分辨有限元模型，結(jié)合17個(gè)高精度溫度探測(cè)器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；采用晶格腔設(shè)計(jì)擴(kuò)大光束腰斑，同時(shí)優(yōu)化原子溫度，顯著抑制原子碰撞導(dǎo)致的密度頻移，其不確定度被壓制至10的負(fù)20次方量級(jí)……

這些優(yōu)化使Sr1鐘的綜合系統(tǒng)不確定度達(dá)到9.2乘以10的負(fù)19次方量級(jí)，相當(dāng)于約300億年的誤差不超過(guò)1秒，成為滿足國(guó)際單位制秒重新定義要求的高精度光鐘之一。

飛向太空的光鐘

該研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)制約光鐘性能的關(guān)鍵瓶頸開(kāi)展了長(zhǎng)期系統(tǒng)性攻關(guān)，并于近期取得多項(xiàng)突破性進(jìn)展。在穩(wěn)定度方面，突破了傳統(tǒng)光鐘限制，構(gòu)建了零死時(shí)間架構(gòu)和一套精密的雙鐘比對(duì)系統(tǒng)，并驗(yàn)證了2萬(wàn)秒積分時(shí)間內(nèi)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度的優(yōu)越性。相關(guān)成果于日前發(fā)表于國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》。

在不確定度方面，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立經(jīng)原位驗(yàn)證的空間分辨有限元模型，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及不斷優(yōu)化的方案實(shí)現(xiàn)了“相當(dāng)于300億年的誤差不超過(guò)1秒”的里程碑式進(jìn)展。相關(guān)成果于3月5日發(fā)表于國(guó)際計(jì)量領(lǐng)域核心期刊《計(jì)量學(xué)》。

中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)研制的鍶原子晶格光鐘（Sr1）

據(jù)介紹，相關(guān)成果標(biāo)志著中國(guó)在時(shí)間精密測(cè)量領(lǐng)域的研究水平已躋身國(guó)際最前列，也為發(fā)展可搬運(yùn)光鐘和星載光鐘提供了可行的技術(shù)路徑，為該技術(shù)在支撐下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、構(gòu)建全球統(tǒng)一超高精度時(shí)間基準(zhǔn)等領(lǐng)域的深度應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

從無(wú)死時(shí)間光鐘技術(shù)到可移動(dòng)光鐘的研制，從“墨子號(hào)”的啟示到遠(yuǎn)距離光鐘對(duì)比的方案設(shè)計(jì)，光鐘將逐步構(gòu)建起一張覆蓋全球乃至連接天地的量子精密測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。

大皖新聞?dòng)浾呶忽析?（圖片來(lái)自中國(guó)科大）

（來(lái)源：大皖新聞）