720亿年误差仅1秒：中国光钟突破时间极限

ongwu
2025年4月5日

在人类文明的长河中，对“时间”的测量始终是一场与精度极限的赛跑。从日晷到机械钟，从石英振荡器到原子钟，每一次计时技术的跃迁，都深刻重塑了科学、工程乃至社会运行的底层逻辑。而今天，中国科学家再次将这场赛跑推向了前所未有的高度——一台不确定度仅为10⁻¹⁸量级的光学原子钟，实现了720亿年误差不超过1秒的惊人精度。这一成果，不仅刷新了全球光钟性能的纪录，更标志着我国在时间频率基准领域已迈入世界领跑行列。

一、时间基准的演进：从微波到光频

要理解这一突破的分量，必须回溯时间计量技术的发展脉络。

传统原子钟，如铯原子喷泉钟，利用铯-133原子在微波频段（约9.19 GHz）的超精细能级跃迁作为频率基准。国际单位制（SI）中“秒”的定义，正是基于这一跃迁频率。然而，微波频率相对较低，其“钟摆”周期较长，限制了频率稳定度和测量分辨率的进一步提升。

20世纪末，科学家提出“光钟”（Optical Clock）概念——将原子或离子的跃迁频率从微波波段提升至光学波段（10¹⁴–10¹⁵ Hz）。光频比微波高约5个数量级，意味着在相同时间内可完成更多次“计数”，从而显著提升计时精度。理论上，光钟的不确定度可比传统原子钟低2–3个数量级。

然而，实现光钟并非易事。它需要三大核心技术支撑：

超高稳定激光系统：用于精确锁定原子跃迁频率；
精密离子/原子囚禁与冷却技术：消除热运动和多普勒频移；
光频梳（Optical Frequency Comb）：将光频与微波频率无缝衔接，实现频率传递与比对。

中国科研团队此次突破，正是在这三大领域实现了系统性优化与集成创新。

二、中国光钟的技术路径：镱离子与光晶格双轨并进

此次成果由中国科学院精密测量科学与技术创新研究院牵头，联合多家单位共同完成。研究团队采用两种主流光钟架构——镱离子光钟与锶原子光晶格钟——并行推进，最终实现了不确定度达到5×10⁻¹⁸的综合性能指标。

1. 镱离子光钟：单离子囚禁的极致控制

在镱离子光钟中，科研人员利用电磁场将单个镱-171⁺离子囚禁在超高真空环境中，并通过激光冷却将其温度降至毫开尔文量级。离子在近乎静止的状态下，其光学跃迁频率受外界扰动极小。

关键突破在于激光稳频技术的革新。团队开发了一种基于超低膨胀系数（ULE）腔体的超稳激光器，其频率漂移控制在10⁻¹⁷/√τ（τ为平均时间）以下。同时，通过主动反馈系统补偿环境振动与温度波动，实现了长达数小时的连续锁定。

此外，团队还优化了量子逻辑光谱技术（Quantum Logic Spectroscopy），利用辅助离子协同探测目标离子的跃迁信号，显著提升了信噪比与测量效率。

2. 锶原子光晶格钟：多原子协同的统计优势

与单离子方案不同，锶原子光晶格钟通过激光形成驻波场，将数千个锶-87原子囚禁在周期性势阱中，形成“光晶格”。这种结构既避免了原子间的碰撞频移，又保留了多原子并行测量的统计优势。

中国团队在此方向上的突破，主要体现在晶格激光的波长优化与魔幻波长（Magic Wavelength）的精确调控。通过将晶格激光调谐至特定波长（约813 nm），使得原子在基态与激发态感受到的势能相同，从而消除了一阶斯塔克频移——这是光晶格钟不确定度的主要来源之一。

同时，团队引入了双光子跃迁探测与自旋压缩态制备技术，进一步抑制了量子投影噪声，将频率测量不确定度压低至10⁻¹⁸量级。

三、不确定度10⁻¹⁸意味着什么？

在时间计量领域，“不确定度”是衡量时钟精度的核心指标，表示系统误差与随机误差的综合影响。不确定度为10⁻¹⁸，意味着每秒钟的计时误差不超过10⁻¹⁸秒。换算成时间跨度，即：

720亿年 ≈ 7.2×10¹⁰ 年
误差仅1秒 → 相对误差 ≈ 1.4×10⁻¹⁸

这一数值已接近当前理论预测的引力红移效应在地球表面引起的频率偏移量级（约10⁻¹⁶）。换言之，这台光钟的灵敏度足以探测到海拔相差1厘米所导致的时间流逝差异——这正是爱因斯坦广义相对论所预言的“引力时间膨胀”。

这一精度不仅远超现有国际原子时（TAI）所依赖的铯喷泉钟（不确定度约3×10⁻¹⁶），也优于目前国际上最先进的光钟系统（如美国NIST的镱光钟，不确定度约3×10⁻¹⁸）。

四、从实验室到应用：光钟的潜在变革力

尽管目前光钟仍主要运行于实验室环境，但其潜在应用已引发全球关注。

1. 重新定义“秒”

国际计量局（BIPM）已启动“秒”定义的修订工作，计划在2030年前后以光钟为基础建立新一代时间基准。中国此次突破，为参与国际标准制定提供了关键数据支撑。

2. 高精度导航与定位

全球导航卫星系统（GNSS）依赖原子钟进行时间同步。若将光钟技术应用于星载系统，定位精度有望从米级提升至厘米甚至毫米级，对自动驾驶、地震监测、精密农业等领域产生深远影响。

3. 基础物理检验

光钟可作为“量子传感器”，用于探测暗物质、验证引力理论、搜寻新物理现象。例如，通过比对不同地理位置的光钟频率变化，可检验广义相对论的等效原理是否成立。

4. 深空探测与时间同步

在深空任务中，光钟可提供超高精度的时间基准，支持星际导航、引力波探测（如LISA计划）以及地外文明搜寻（SETI）中的信号同步。

五、挑战与未来：从“实验室奇迹”到“工程现实”

尽管成果显著，光钟走向广泛应用仍面临诸多挑战：

体积与功耗：当前系统庞大复杂，难以小型化；
环境鲁棒性：对振动、温度、磁场极为敏感；
长期稳定性：需实现数月甚至数年的连续运行；
成本与可复制性：高昂的研发与运维成本限制推广。

为此，中国科研团队正推进“便携式光钟”项目，目标是将系统体积压缩至机柜级别，并提升自动化运行能力。同时，国家时间频率中心已启动“国家光钟网络”规划，拟构建覆盖重点城市的高精度时间传递体系。

六、结语：时间精度的边界，亦是科学的边界

720亿年误差仅1秒，这不仅是工程上的奇迹，更是人类认知边界的拓展。时间，作为物理学中最基本的维度之一，其测量精度的每一次跃升，都推动着科学范式的变革。

中国光钟的突破，标志着我国在时间频率领域已从“跟跑”转向“并跑”乃至“领跑”。这不仅是一项技术成就，更是国家基础科研能力、跨学科协作机制与创新生态系统的综合体现。

未来，随着光钟技术的成熟与普及，我们或将迎来一个“时间感知”被重新定义的时代——从量子计算到宇宙探索，从金融交易到生命节律，时间的极限，正在被一点点打破。

而这一切，始于一个原子在光晶格中的跃迁，始于一束激光对频率的执着锁定，始于一群科学家对“精确”二字的无限追求。

ongwu
科技观察者 | 时间频率领域研究者
关注前沿物理、精密测量与科学仪器创新