大皖新聞訊 3月7日，大皖新聞記者從中國科學技術大學獲悉，近期該校潘建偉、戴漢寧、陳宇翱、彭承志等科研人員在光鍾研製方面取得里程碑式進展，成功將鍶原子光晶格鐘的穩定度和不確定度指標全面突破10的負19次方量級，相當於約300億年的誤差不超過1秒。這一成果標誌著我國在時間精密測量領域的研究水平已躋身國際最前列。
什麼是「死時間」
相關人員介紹，原子鐘是一種以原子的固有共振頻率標準來保持時間準確的時鐘。原子鐘依賴於原子中電子云的能級躍遷。通過特定頻率的微波或激光使電子躍遷到更高的能量狀態。這些利用電子躍遷來穩定激光或微波的振蕩頻率，提供鐘錶的「滴答」（時間脈衝）——每秒達數十億甚至數萬億次。
光鍾作為光頻段的原子鐘，其性能指標主要包含兩個要素：穩定度和準確度（或不確定度）。穩定度是指光鍾輸出頻率的短期波動或隨機變化。光鐘的穩定度越高，意味著光鍾能越快收斂到其固有精度，適用於實時高精度測量，如引力波探測、精密導航等。
中國科大團隊研製的無死時間鍶原子光晶格鍾（sr3）三維模型
當光鐘的穩定度與不確定度均突破10的負19次方量級時，將開啟一系列重要的前沿應用，例如，實現毫米級重力位與高度精密測量，可用於監測地殼形變、地下水位變化、火山活動預警及高精度大地水準面更新，支持災害防控與資源勘探；提供暗物質探測的新方法，可捕捉暗物質引起的瞬態低頻信號，有望超越傳統粒子實驗平台。
相關人員表示，對於一台光鍾內的原子來說，它需要先經過冷卻、囚禁和態製備等一系列過程，才能為躍遷做好充足準備。這一過程不可避免地要花去大量時間，這段時間就稱為「死時間」。在死時間內，超穩激光頻率雜訊會將混疊到原子躍遷頻率上，導致光鐘的長期穩定度變差。
面對這一問題，中國科大團隊設計了一個全新的高性能雙原子系統光鍾（sr3）。這個雙原子光鍾內包含了兩個鍶原子光晶格（sr3a和sr3b），在sr3a光鍾進行原子製備的時間內，sr3b光鍾進行原子躍遷探測；而當sr3a光鍾開始進行原子躍遷探測的時候，sr3b光鍾開始進入下一輪原子製備。sr3光鍾通過交替探詢兩個鍶原子光晶格（sr3a和sr3b），從而實現無死時間（zerodeadtime,zdt）光鍾運行方案。
如何評估光鍾是否「走得准」
研究團隊人員稱，由於各類物理場的擾動（稱為系統效應），每台光鐘的實際輸出頻率和理想原子躍遷頻率並不相等；而光鍾要成為時間計量的基準，每台光鍾就必須事先精細地評估出這一頻率差，並給出相應的不確定度。而開展高精度光鍾間比對實驗，事實上也要求更多台高準確度光鐘的建設。
光鍾總的系統效應頻移包括許多因素，而其評估誤差在數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。
鍶原子光鍾sr1裝置系統圖，通過系統性優化提升後，綜合評估了各系統頻移因素的影響
中國科大團隊近期也針對制約鍶光鍾（sr1）精度的核心系統效應展開了攻關。團隊通過建立經原位驗證的空間分辨有限元模型，結合17個高精度溫度探測器的實時監測；採用晶格腔設計擴大光束腰斑，同時優化原子溫度，顯著抑制原子碰撞導致的密度頻移，其不確定度被壓制至10的負20次方量級……
這些優化使sr1鐘的綜合系統不確定度達到9.2乘以10的負19次方量級，相當於約300億年的誤差不超過1秒，成為滿足國際單位制秒重新定義要求的高精度光鍾之一。
飛向太空的光鍾
該研究團隊針對制約光鍾性能的關鍵瓶頸開展了長期系統性攻關，並於近期取得多項突破性進展。在穩定度方面，突破了傳統光鍾限制，構建了零死時間架構和一套精密的雙鍾比對系統，並驗證了2萬秒積分時間內的長期穩定度的優越性。相關成果於日前發表於國際知名期刊《物理評論快報》。
在不確定度方面，研究團隊通過建立經原位驗證的空間分辨有限元模型，結合實時監測及不斷優化的方案實現了「相當於300億年的誤差不超過1秒」的里程碑式進展。相關成果於3月5日發表於國際計量領域核心期刊《計量學》。
中國科大團隊研製的鍶原子晶格光鍾（sr1）
據介紹，相關成果標誌著中國在時間精密測量領域的研究水平已躋身國際最前列，也為發展可搬運光鍾和星載光鍾提供了可行的技術路徑，為該技術在支撐下一代衛星導航系統、構建全球統一超高精度時間基準等領域的深度應用奠定了基礎。
從無死時間光鍾技術到可移動光鐘的研製，從「墨子號」的啟示到遠距離光鍾對比的方案設計，光鍾將逐步構建起一張覆蓋全球乃至連接天地的量子精密測量網路。
大皖新聞記者魏鑫鑫 （圖片來自中國科大）
（來源：大皖新聞）
