近期，中国科技大学与中国科学院量子信息与量子科技创新研究院的科学家们成功研制了一款引领国内光钟领域的锶原子光晶格钟。这一创新性成果在国际学术期刊【计量学】上发表，引起了广泛关注。
时间，作为七个基本单位之一的度量，其重要性不可忽视。自1955年铯束原子钟问世以来，对时间精度的追求一直是科学家们的目标。从微波到光学，人们对时间的精度要求逐渐升级，而光学原子钟的出现为此提供了新的可能性。
在过去的半个多世纪里，科学家们在原子钟的发展上不断努力。铯束原子钟成为第一个实现的原子钟，但其微波波段的跃迁频率提高困难。为了追求更高的时间精度，科学家们将目光投向光学原子钟，其跃迁频率高于微波钟四个量级，展现巨大的潜力。
早在1973年，有学者提出采用光学频率标准，但由于技术限制未能得以实现。随着冷却原子、离子、光频率探测技术的发展，光钟在2000年前后迎来了蓬勃发展。光学原子钟主要包括离子光学原子钟和光晶格原子钟。虽然离子光钟的准确度更高，但量子投影噪声限制了其稳定度。相对而言，基于中性原子的光晶格原子钟由于可包含大量中性原子，成功压缩了量子投影噪声，稳定度更胜一筹。
日本东京大学的H. Katori教授和美国JILA的叶军教授等团队将研究重点放在光晶格原子钟上。2002年，H. Katori教授首次实现87Sr光晶格原子钟，拉开了光钟研究的序幕。光晶格交流斯塔克频移、密度频移等问题成为挑战，但科学家通过创新方法解决了这些技术难题。
中国科技大学与中国科学院量子信息与量子科技创新研究院的团队近期成功研制的锶原子光晶格钟，采用87Sr原子体系，综合考虑黑体辐射、冷碰撞、光晶格交流斯塔克效应等多个因素，使得该光钟系统的整体性能达到世界领先水平。
稳定度和不确定度是衡量光钟性能的两个关键指标。稳定度描述输出频率在时间轴上的抖动情况，而不确定度描述钟跃迁频率变化下，频移修正量的精度。稳定度与时间τ的-0.5次方成正比，而不同实验需要考量短时间和长时间稳定度的能力。不确定度受到黑体辐射频移、密度频移、光晶格交流斯塔克频移等因素影响，科学家们通过创新方法逐一解决。
中国团队采用87Sr原子体系，通过高束流集成化冷锶原子源等自主设计方案，优化了光钟的稳频技术。对于Dick效应的抑制，团队通过PDH稳频技术和抑制磁场噪声等手段，成功提高了钟脉冲时间，减弱了噪声影响。针对黑体辐射、冷碰撞、光晶格交流斯塔克效应等主要因素，科学家们建立了精准的评估模型，成功将整体不确定度降至4.4×10-18，相当于72亿年只偏差一秒。
这一成果的问世，意味着中国在光钟领域的技术实力达到了世界领先水平。锶原子光晶格钟的性能不仅在国内首屈一指，而且在国际上也具有竞争力。在国内外卫星导航、基准时频服务等领域，这一技术进步将发挥重要作用。
光钟的应用潜力巨大。在卫星导航系统中，光钟的高精度将提高导航定位的准确性，为全球导航服务带来实质性的提升。在科学研究领域，光钟将成为测量引力、研究宇宙学等前沿科学问题的得力工具。其超高精度也将为地球物理学研究、地质勘探等领域提供更为精准的时间基准。
此次成果的成功研制不仅体现了中国科技实力的崛起，也为全球科学研究和技术发展注入新的活力。科学家们在光钟领域的突破，将推动整个领域的发展，为人类社会带来更多技术创新和科学进步。光钟的问世，不仅令人振奋，更让我们期待未来在时间测量和科技创新领域的更多惊喜。
