时间测量的精度极限一直是现代科学的重要课题。
作为当今最精密的时间频率标准,光钟通过原子内部能级跃迁产生的频率信号来定义时间,其精度相比现有微波时间标准可提升上万倍。
然而,如何进一步突破光钟性能的瓶颈,使其达到国际计量界对"秒"重新定义的要求,成为全球科学家面临的共同挑战。
光钟的性能由两大核心指标决定。
稳定度反映测量结果的精密性,不确定度则决定了测量结果的可信度。
这两个指标的数值越小,光钟的性能就越优秀。
在此之前,全球光钟研究主要停留在10-18量级的水平,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。
这种现状制约了光钟在更广泛领域的应用前景。
中国科大潘建伟、戴汉宁、陈宇翱、彭承志等研究人员针对制约光钟性能的关键瓶颈开展了长期系统性攻关。
通过对各系统频移因素的综合优化,该团队成功将锶原子光晶格钟的综合系统不确定度降低至9.2×10-19,相当于300亿年的误差不超过1秒。
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,使锶原子光晶格钟成为满足国际单位制秒重新定义要求的高精度光钟之一。
相关成果已发表于国际计量领域核心期刊《计量学》,国际审稿人评价该成果"对秒的重新定义讨论具有重要意义""性能处于世界上最顶尖梯队"。
这一突破的意义远超时间测量本身。
当光钟的稳定度与不确定度均突破10-19量级后,将开启一系列重要前沿应用。
在地球科学领域,光钟可实现毫米级重力位与高度精密测量,使监测地壳形变、地下水位变化、火山活动预警及高精度大地水准面更新成为可能。
在基础物理研究中,光钟可为暗物质探测提供新方法,捕捉到暗物质引起的瞬态低频信号。
此外,该成果还为发展可搬运光钟和星载光钟提供了可行的技术路径,为光钟技术在检验基本物理学定律、支撑下一代卫星导航系统、构建全球统一超高精度时间基准等领域的深度应用奠定了坚实基础。
从国际竞争的角度看,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,为我国在未来"秒"的重新定义中贡献关键技术并实现主导奠定了基础。
光钟技术的进步将直接支撑卫星导航、通信、精密测量等现代科技的发展,为国家战略性新兴产业提供可靠的时间基准。
时间的精度,刻度着科技创新的深度。
锶原子光晶格钟综合性能迈入10-19量级,不仅是一项计量指标的跃升,更是我国在高端基础能力建设上的重要进展。
面向国际单位制可能迎来的“秒”重新定义窗口期,坚持长期主义推进原始创新、标准体系与工程应用协同发展,将使这一突破更好转化为国家科技竞争力与高质量发展的坚实支撑。