大皖新聞訊3月7日，大皖新聞記者從中國科學技術(shù)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鐘研制方面取得里程碑式進展，成功將鍶原子光晶格鐘的穩(wěn)定度和不確定度指標全面突破10的負19次方量級，相當于約300億年的誤差不超過1秒。這一成果標志著我國在時間精密測量領(lǐng)域的研究水平已躋身國際最前列。
什么是“死時間”
相關(guān)人員介紹，原子鐘是一種以原子的固有共振頻率標準來保持時間準確的時鐘。原子鐘依賴于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(tài)。這些利用電子躍遷來穩(wěn)定激光或微波的振蕩頻率，提供鐘表的“滴答”（時間脈沖）——每秒達數(shù)十億甚至數(shù)萬億次。
光鐘作為光頻段的原子鐘，其性能指標主要包含兩個要素：穩(wěn)定度和準確度（或不確定度）。穩(wěn)定度是指光鐘輸出頻率的短期波動或隨機變化。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，適用于實時高精度測量，如引力波探測、精密導航等。
中國科大團隊研制的無死時間鍶原子光晶格鐘（Sr3）三維模型
當光鐘的穩(wěn)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(yīng)用，例如，實現(xiàn)毫米級重力位與高度精密測量，可用于監(jiān)測地殼形變、地下水位變化、火山活動預(yù)警及高精度大地水準面更新，支持災(zāi)害防控與資源勘探；提供暗物質(zhì)探測的新方法，可捕捉暗物質(zhì)引起的瞬態(tài)低頻信號，有望超越傳統(tǒng)粒子實驗平臺。
相關(guān)人員表示，對于一臺光鐘內(nèi)的原子來說，它需要先經(jīng)過冷卻、囚禁和態(tài)制備等一系列過程，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(nèi)，超穩(wěn)激光頻率噪聲會將混疊到原子躍遷頻率上，導致光鐘的長期穩(wěn)定度變差。
面對這一問題，中國科大團隊設(shè)計了一個全新的高性能雙原子系統(tǒng)光鐘（Sr3）。這個雙原子光鐘內(nèi)包含了兩個鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），在Sr3a光鐘進行原子制備的時間內(nèi)，Sr3b光鐘進行原子躍遷探測；而當Sr3a光鐘開始進行原子躍遷探測的時候，Sr3b光鐘開始進入下一輪原子制備。Sr3光鐘通過交替探詢兩個鍶原子光晶格（Sr3a和Sr3b），從而實現(xiàn)無死時間（ZeroDeadTime,ZDT）光鐘運行方案。
如何評估光鐘是否“走得準”
研究團隊人員稱，由于各類物理場的擾動（稱為系統(tǒng)效應(yīng)），每臺光鐘的實際輸出頻率和理想原子躍遷頻率并不相等；而光鐘要成為時間計量的基準，每臺光鐘就必須事先精細地評估出這一頻率差，并給出相應(yīng)的不確定度。而開展高精度光鐘間比對實驗，事實上也要求更多臺高準確度光鐘的建設(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。
鍶原子光鐘Sr1裝置系統(tǒng)圖，通過系統(tǒng)性優(yōu)化提升后，綜合評估了各系統(tǒng)頻移因素的影響
中國科大團隊近期也針對制約鍶光鐘（Sr1）精度的核心系統(tǒng)效應(yīng)展開了攻關(guān)。團隊通過建立經(jīng)原位驗證的空間分辨有限元模型，結(jié)合17個高精度溫度探測器的實時監(jiān)測；采用晶格腔設(shè)計擴大光束腰斑，同時優(yōu)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(yōu)化使Sr1鐘的綜合系統(tǒng)不確定度達到9.2乘以10的負19次方量級，相當于約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鐘之一。
飛向太空的光鐘
該研究團隊針對制約光鐘性能的關(guān)鍵瓶頸開展了長期系統(tǒng)性攻關(guān)，并于近期取得多項突破性進展。在穩(wěn)定度方面，突破了傳統(tǒng)光鐘限制，構(gòu)建了零死時間架構(gòu)和一套精密的雙鐘比對系統(tǒng)，并驗證了2萬秒積分時間內(nèi)的長期穩(wěn)定度的優(yōu)越性。相關(guān)成果于日前發(fā)表于國際知名期刊《物理評論快報》。
在不確定度方面，研究團隊通過建立經(jīng)原位驗證的空間分辨有限元模型，結(jié)合實時監(jiān)測及不斷優(yōu)化的方案實現(xiàn)了“相當于300億年的誤差不超過1秒”的里程碑式進展。相關(guān)成果于3月5日發(fā)表于國際計量領(lǐng)域核心期刊《計量學》。
中國科大團隊研制的鍶原子晶格光鐘（Sr1）
據(jù)介紹，相關(guān)成果標志著中國在時間精密測量領(lǐng)域的研究水平已躋身國際最前列，也為發(fā)展可搬運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)星導航系統(tǒng)、構(gòu)建全球統(tǒng)一超高精度時間基準等領(lǐng)域的深度應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
從無死時間光鐘技術(shù)到可移動光鐘的研制，從“墨子號”的啟示到遠距離光鐘對比的方案設(shè)計，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量網(wǎng)絡(luò)。
大皖新聞記者魏鑫鑫（圖片來自中國科大）
