中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳宇翱、戴漢寧等組成的研究團(tuán)隊(duì)，研制了萬秒穩(wěn)定度和不確定度均優(yōu)于5×10^-18（相當(dāng)于數(shù)十億年的誤差不超過一秒）鍶原子光晶格鐘。根據(jù)公開發(fā)表的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)是當(dāng)前國內(nèi)綜合指標(biāo)最好的光鐘，使得我國成為繼美國之后第二個(gè)達(dá)到上述綜合指標(biāo)的國家。該成果對未來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光鐘比對、建立超高精度的光頻標(biāo)基準(zhǔn)和全球性光鐘網(wǎng)絡(luò)奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。1月12日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《計(jì)量學(xué)》上。

目前，最先進(jìn)的光鐘比國際上用于秒定義的微波噴泉鐘的精度高出了兩個(gè)數(shù)量級以上。正是基于量子精密測量技術(shù)的發(fā)展，第二十七屆國際計(jì)量大會(huì)通過了“關(guān)于秒的未來重新定義”的決議，計(jì)劃于2026年提出關(guān)于利用光鐘重新定義國際單位制（SI）“秒”的具體路線，并將在2030年做出最終決定。為了推動(dòng)基于光鐘的新一代秒定義，要求至少3個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室的光鐘不確定度優(yōu)于2×10^-18，并通過光學(xué)鏈路或移動(dòng)光鐘實(shí)現(xiàn)優(yōu)于5×10^-18的頻率比對精度。

近年來，該團(tuán)隊(duì)在基于光晶格的超冷原子量子模擬方面開展了工作，在《自然》和《科學(xué)》發(fā)表了9篇論文，為發(fā)展高精度的光晶格鐘奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。該工作實(shí)現(xiàn)了鍶原子（87Sr）的激光冷卻，將其束縛在長壽命的一維光晶格中，利用一束預(yù)先鎖定到超穩(wěn)腔的超穩(wěn)激光來探尋鍶原子鐘態(tài)躍遷，并實(shí)現(xiàn)了光鐘閉環(huán)運(yùn)行。研究通過兩套獨(dú)立的鍶原子光晶格鐘（Sr 1和Sr 2）進(jìn)行頻率比對測量，得到單套光鐘的穩(wěn)定度在10000秒積分時(shí)間被達(dá)到4×10^-18，在47000秒達(dá)到2.1×10^-18，整體達(dá)到5.4×10^-16/sqrt(τ)（τ是積分測量的時(shí)間）。在此基礎(chǔ)上，研究對Sr 1光鐘的系統(tǒng)頻移因素開展了逐項(xiàng)評定，最終得到其系統(tǒng)不確定度為4.4×10^-18相當(dāng)于72億年僅偏差1秒。上述性能指標(biāo)表明該光鐘系統(tǒng)已部分滿足“秒”重新定義的要求。

該研究提升了我國原子光頻標(biāo)的性能指標(biāo)，結(jié)合潘建偉、張強(qiáng)、姜海峰、彭承志等前期實(shí)現(xiàn)的萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于4×10^-19的百公里自由空間高精度時(shí)間頻率傳遞，為下一步建立遠(yuǎn)距離光鐘比對（如Sr/Yb、Sr/Ca⁺）奠定了基礎(chǔ)，對未來構(gòu)建新一代全球時(shí)間基準(zhǔn)乃至提供引力波探測、暗物質(zhì)搜索的新方法等具有重要價(jià)值。

研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、安徽省、上海市、國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國科學(xué)院等的支持。

論文鏈接

Sr 1和Sr 2光鐘的異步比對操作和穩(wěn)定度性能