中国首台“光钟”问世 锁定“1秒”有多长

　　核心提示

　　近日，中国科学院武汉物理与数学研究所经过10年努力，突破了系列关键技术，成功研制出我国首台基于单个囚禁钙离子的“光钟”，从此中国跻身于国际上少数几个拥有光钟的国家。据悉，国际计量协会正在考虑重新定义时间基准，而光钟这项技术有望为我国在世界时间标准的定义上争得一定话语权。

　　光钟与我们平常使用的时钟一样吗？研究光钟有什么意义？光钟的研制对世界时间标准的改变有什么样的影响？我们请中国计量科学研究院时间频率计量研究所所长方占军为您解读。

　　光钟比起微波钟精度高出两个数量级

　　辽宁日报：近日，我国首台“光钟”研制成功，其指标达到国际先进水平。 “光钟”这个概念很新奇，它与普通的计时钟有什么不同？

　　方占军：在普通的计时钟里面，是靠钟表的“嘀嗒”来计时的。如古老的挂钟，就是依靠单摆摆动的周期来计时；机械钟表是依靠发条提供的动能驱动条盒轮转动来计时；电子钟表是依靠晶振振动的周期来计时等。在“光钟”中，产生“嘀嗒”的是超稳激光，因此叫做“光钟”。激光也是一种电磁波，有一定的频率和周期，因此可以用来计时。然而一般的激光频率并不稳定，因此我们需要将激光的频率——也就是周期——稳定到一个固定的数值。原子、离子等的跃迁频率是自然基准，在不受外界条件干扰的情况下保持不变，因此可以将激光的频率锁定到某种原子或者离子的跃迁上。这样一来，激光的频率同原子、离子的跃迁频率保持一致，高稳定的激光频率便能够担当电子钟表中晶振的角色，以此来计时。

　　不过，将激光锁定在原子、离子跃迁上，也只算作“光频标”，即光学频率标准。想要实现光钟，还需要一个能将激光振荡周期计数的元件，以激光振荡的周期乘以振荡的次数来计时。光钟的工作频段在光频段，现在还没有能够直接对激光计数的电子元件，只有对微波计数的元件。因此想要实现光钟，还需要将光学频段的标准转换到能计数的微波频段。飞秒光梳能够将光频转换到微波频率。

　　光频标再加上飞秒光梳，这才是一个能够实际应用的“光钟”，才能够复现秒，真正用作计时。

　　辽宁日报：原子钟、微波钟与光钟是一种吗？

　　方占军：原子钟指以利用原子内电子的特定能级间的固定跃迁频率而制造的精确度非常高的计时仪器。而微波钟和光钟是以钟的工作频段划分的。当前，微波钟和光钟都是原子钟，只不过微波钟的工作频段是微波，而光钟的工作频段是光频。

　　辽宁日报：它们在精度上有什么差异？

　　方占军：光钟的工作频段比微波钟的工作频段高4到5个数量级，因此有潜力达到比微波钟更高的精度。现在的微波钟精度在10-16，而光钟精度已经进入了10-18，比目前最好的喷泉钟高两个数量级。

　　有了光钟技术才可能重新定义“秒”

　　辽宁日报：微波钟对于我们普通人来说已经足够精确了，为什么还要研究光钟呢？

　　方占军：在国际单位制(SI)中，7个基本物理量分别为：长度——米(m)，时间(频率)——秒(s)，质量——千克(kg)，电流——安培(A)，热力学温度——开尔文(K)，物质的量——摩尔 (mo1)和发光强度——坎德拉(cd)。其中，时间频率作为所有物理量及物理常数中测量准确度最高的计量基本单位，并决定着其它许多物理量及基本物理常数的定义及精度。长度基本单位米(m)、电学重要单位伏特(V)都直接以频率定义，其它许多物理量都可以转化成时间频率来加以测量。

　　时间频率基准的精度是反映一个国家战略竞争力的重要标志之一。高精度时间频率标准在全球定位系统、精确打击武器、信息高速公路等方面起着关键的作用。如果使用光钟的新技术来重新定义秒，将对全球卫星定位导航系统、人类探索宇宙和研究物理学规律等领域产生极为深远的影响。时间频率计量是科学研究、国民经济建设和国防建设的重要技术支持。

　　辽宁日报：光钟是怎么在优化精密仪器制造和卫星定位等技术方面发挥优势的？

　　方占军：从上面的讨论可知，长度基本单位米(m)直接以频率定义，精密仪器制造需要控制的就是长度。而卫星定位的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。这都属于时间和长度的测量范畴，因此用更高准确度的时间频率标准能够优化精密仪器制造和卫星定位等技术。

　　辽宁日报：据报道，掌握“光频标”技术，还可以为我国在世界时间标准的定义上争得一定话语权。现在的世界时间标准是以什么定义的？

　　方占军：当前的时间频率标准，是1967的第13届国际计量大会上通过的，1秒被定义为铯原子133同位素基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射周期的9192631770倍的时间。 2006年第17次国际时间频率咨询委员会(CCTF)会议通过决议将锶原子、汞离子、锶离子、镱离子光频标作为秒的次级定义。光钟已被公认为下一代秒定义的候选。 2009年第18次CCTF会议建议，在2019年开始讨论重新定义秒。

　　只有掌握了光钟技术，我国才可能在重新定义秒的时候拥有话语权。

　　如果光钟发展慢下来7年后将重新定义“秒”

　　辽宁日报：据了解，最开始的世界时间标准并不是以原子钟定义的。

　　方占军：历史上，天文观测活动和时间测量、历书编制一直紧密关联。最开始，人们用地球的自转现象来定义“秒”，称之为“世界时”(UT和UT1)。地球自转一圈是一天，1天等于24小时，也就是等于86400秒，因此1天的86400分之一就被定义为1秒。后来，在长期的天文观测中，人们发现地球的自转频率并不稳定，直接受潮汐等自然现象的影响，其精度是3年差1秒。相比之下，地球围绕太阳的公转频率比地球的自转频率更加稳定，其精度是30年差1秒。1960年第 11届国际计量大会(CGPM)决定用地球的公转取代地球的自转来定义秒，1秒为1900年1月 0日 12时起算的回归年的31556925.9747分之一，称之为“历书时”。我们可以看到，到此为止的秒定义都是根据天文现象来定义，因此被称为“天文秒”。 1967年，国际计量大会决定将秒定义修改为铯原子基态超精细能级间的跃迁，历史从此由“天文秒”时代进入“原子秒”时代，铯原子钟是实现秒定义复现的装置。目前复现秒定义的准确度最高的装置就是铯原子喷泉钟，准确度已经达到了E-16量级。世界上各个国家现在正在研究的光钟已经被公认为下一代秒定义基准钟，准确度预计可以达到E-18量级(几十亿年不差1秒)。

　　我们现在使用的时标是国际原子时(TAI)和协调世界时(UTC)。所谓“时标”可以理解为一个时间的标尺或者说时间坐标。 “时标”最基本的作用就是将一个个具体的事件与其发生的特定时刻一一对应起来，就像我们通常所说的“某年某月某时发生了……”一个时标最突出的特征是：连续、稳定、准确、可靠。 TAI是在1971年的第14届国际计量大会上定义的，秒长采用铯原子钟定义的原子秒，起点为1958年1月1日00:00:00。UTC采用和TAI一样的秒长，UTC的起点是1972年1月1日00:00:00。国际计量大会规定UTC-UT1应该保持小于等于0.9秒，当UTC-UT1大于0.9秒时，插入闰秒。根据规定，闰秒总是出现在一年的6月30日或者12月31日。第一个闰秒出现在1972年6月30日。平均而言，19个月出现一次闰秒。到目前为止，总共出现了25个闰秒。上一次闰秒出现在2012年6月30日，大家应该都有所耳闻。

　　辽宁日报：有的报道称，国际计量权威组织根据光频标等新一代频标技术的发展趋势，有可能在2019年重新讨论“秒”的定义。在什么情况下，这一定义会发生改变？

　　方占军：2009年第18届国际时间频率咨询委员会会议提到，如果今后光钟的发展速度慢下来，并且光钟的频率传输和比对问题得到解决的话，可以重新定义秒。当前光钟在飞速发展，尚不清楚哪一种元素更有优势，能够最终达到更高的精度。而当前的频率传输精度还远远跟不上光频标的发展，因此重新定义秒意义不大。但到2019年，如果二者都得到解决的话，就有可能重新定义。

　　辽宁日报：如果在世界时间标准的定义上争得一定话语权，对我国未来发展的哪些方面有影响？

　　方占军：时间频率计量是科学研究和国民经济建设的重要技术支持，又和人民大众的日常生活密切相关。

　　另一方面，在2019年或者以后，秒定义发生改变，如果我们没有光钟，现有的系统就不能够独立复现秒定义，我们所有与此相关的科研和应用便都失去独立性，失去话语权。

　　高准确度时间频率标准，是保证国家时间频率计量体系独立完整性的关键，关系到国家的核心利益。时间标准能被广泛地应用到天文导航、大地测量、高速数字通信、交通运输、基础研究、国防等领域。

　　时间频率最典型的应用是 “北斗”系统，系统建成后，可以被广泛应用于军事作战、大地测量、交通以及抗灾救援等领域。具有独立自主的时间频率标准，实现了北斗系统的完全独立自主运行，也是提高国家战略地位的有效保证。 □本报记者／张晓丽

　　NIST-F1铯喷泉原子钟，是美国时间和频率的标准。

　　专家档案

　　方占军 博士、研究员，中国计量科学研究院时间频率计量研究所所长。毕业于清华大学无线电电子学系，1987年和1989年分别获得本科和硕士学位。 1999年毕业于德国哈雷-维滕贝格大学物理系，获博士学位。 2001年起从事时间频率计量研究工作，先后承担了科技部基础研究专项课题——飞秒激光光学频率梳研究，973计划和国家科技支撑计划课题——锶原子光晶格钟研究。2009年获得国家科技进步二等奖。