科技日报记者 吴长锋
记者6日从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、戴汉宁、陈宇翱、彭承志等，成功将锶原子光晶格钟的稳定度和不确定度指标全面突破10-19量级，相当于300亿年的误差不超过1秒。相关成果于3月5日发表于国际计量领域核心期刊《计量学》。
光钟作为当今最精密的时间频率标准，其核心在于利用原子内部能级跃迁产生的频率信号来定义时间。光钟能提供极高的计时精度，将直接支撑国际单位制中“秒”的重新定义，使全球时间标准迈入光学时代，精度较现有微波时间标准提升4个数量级。光钟还能为卫星导航、通信和精密测量等现代科技提供可靠的时间基准，同时为检验广义相对论、探测引力波和暗物质等物理学基础研究领域提供全新的平台。
光钟的性能主要由稳定度与不确定度两大核心指标（均为数值越小则性能越优）衡量：稳定度表征时钟输出频率的噪声水平与长期一致性，决定了测量结果的精密性；不确定度则量化了时钟频率与微观粒子能级跃迁固有频率（即绝对真值）的偏差程度，决定了测量结果的可信度。
以往，全球光钟的稳定度与不确定度综合性能主要停留在10-18量级，仅美国国家标准与技术研究院、德国联邦物理技术研究院等少数顶尖机构接近或触及该水平。中国科大研究团队针对制约光钟性能的关键瓶颈开展了长期系统性攻关，于近期取得多项突破性进展。
中国科大研究团队设计并构建了一套精密的双钟比对系统。该系统包含两个完全独立的锶原子光晶格钟，通过两台独立锶光钟的直接拍频比对，验证了2万秒积分时间内的长期稳定度优于2.9×10-19。在不确定度方面，团队通过建立经原位验证的空间分辨有限元模型，对黑体辐射频移不确定度、原子温度，显著抑制原子碰撞导致的密度频移，以及晶格光频移不确定度、磁频移不确定度等做了大幅度优化，从而使光钟的综合系统不确定度达到9.2×10-19，相当于300亿年的误差不超过1秒，成为满足国际单位制秒重新定义要求的高精度光钟之一。
研究人员介绍，当光钟的稳定度与不确定度均突破10-19量级时，将开启一系列重要的前沿应用，例如，实现毫米级重力位与高度精密测量，可用于监测地壳形变、地下水位变化、火山活动预警及高精度大地水准面更新，支持灾害防控与资源勘探；提供暗物质探测的新方法，可捕捉暗物质引起的瞬态低频信号，有望超越传统粒子实验平台。
研究人员表示，这一精度水平已显著超过国际计量界对“秒”重新定义的门槛要求。国际标准要求至少3个独立光学时间标准的不确定度优于2×10-18，并经多机构验证。稳定度与不确定度双10-19性能可直接为我国在未来“秒”的重新定义中贡献关键技术并实现主导。这一成果标志着我国在时间精密测量领域的研究水平已跻身国际最前列。
（中国科大供图）
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