近期，中國科技大學與中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院的科學家們成功研制了一款引領國內光鐘領域的鍶原子光晶格鐘。這一創新性成果在國際學術期刊【計量學】上發表，引起了廣泛關註。
時間，作為七個基本單位之一的度量，其重要性不可忽視。自1955年銫束原子鐘問世以來，對時間精度的追求一直是科學家們的目標。從微波到光學，人們對時間的精度要求逐漸升級，而光學原子鐘的出現為此提供了新的可能性。
在過去的半個多世紀裏，科學家們在原子鐘的發展上不斷努力。銫束原子鐘成為第一個實作的原子鐘，但其微波波段的躍遷頻率提高困難。為了追求更高的時間精度，科學家們將目光投向光學原子鐘，其躍遷頻率高於微波鐘四個量級，展現巨大的潛力。
早在1973年，有學者提出采用光學頻率標準，但由於技術限制未能得以實作。隨著冷卻原子、離子、光頻率探測技術的發展，光鐘在2000年前後迎來了蓬勃發展。光學原子鐘主要包括離子光學原子鐘和光晶格原子鐘。雖然離子光鐘的準確度更高，但量子投影雜訊限制了其穩定度。相對而言，基於中性原子的光晶格原子鐘由於可包含大量中性原子，成功壓縮了量子投影雜訊，穩定度更勝一籌。
日本東京大學的H. Katori教授和美國JILA的葉軍教授等團隊將研究重點放在光晶格原子鐘上。2002年，H. Katori教授首次實作87Sr光晶格原子鐘，拉開了光鐘研究的序幕。光晶格交流斯塔克頻移、密度頻移等問題成為挑戰，但科學家透過創新方法解決了這些技術難題。
中國科技大學與中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院的團隊近期成功研制的鍶原子光晶格鐘，采用87Sr原子體系，綜合考慮黑體放射線、冷碰撞、光晶格交流斯塔克效應等多個因素，使得該光鐘系統的整體效能達到世界領先水平。
穩定度和不確定度是衡量光鐘效能的兩個關鍵指標。穩定度描述輸出頻率在時間軸上的抖動情況，而不確定度描述鐘躍遷頻率變化下，頻移修正量的精度。穩定度與時間τ的-0.5次方成正比，而不同實驗需要考量短時間和長時間穩定度的能力。不確定度受到黑體放射線頻移、密度頻移、光晶格交流斯塔克頻移等因素影響，科學家們透過創新方法逐一解決。
中國團隊采用87Sr原子體系，透過高束流整合化冷鍶原子源等自主設計方案，最佳化了光鐘的穩頻技術。對於Dick效應的抑制，團隊透過PDH穩頻技術和抑制磁場雜訊等手段，成功提高了鐘脈沖時間，減弱了雜訊影響。針對黑體放射線、冷碰撞、光晶格交流斯塔克效應等主要因素，科學家們建立了精準的評估模型，成功將整體不確定度降至4.4×10-18，相當於72億年只偏差一秒。
這一成果的問世，意味著中國在光鐘領域的技術實力達到了世界領先水平。鍶原子光晶格鐘的效能不僅在國內首屈一指，而且在國際上也具有競爭力。在國內外衛星導航、基準時頻服務等領域，這一技術進步將發揮重要作用。
光鐘的套用潛力巨大。在衛星導航系統中，光鐘的高精度將提高導航定位的準確性，為全球導航服務帶來實質性的提升。在科學研究領域，光鐘將成為測量重力、研究宇宙學等前沿科學問題的得力工具。其超高精度也將為地球物理學研究、地質勘探等領域提供更為精準的時間基準。
此次成果的成功研制不僅體現了中國科技實力的崛起，也為全球科學研究和技術發展註入新的活力。科學家們在光鐘領域的突破，將推動整個領域的發展，為人類社會帶來更多技術創新和科學進步。光鐘的問世，不僅令人振奮，更讓我們期待未來在時間測量和科技創新領域的更多驚喜。
