中国科大锶原子光晶格钟突破关键技术实现新高度

中国科大潘建伟、陈宇翱、戴汉宁等组成的研究团队，成功研制了万秒稳定度和不确定度均优于5×10-18（相当于数十亿年的误差不超过一秒）锶原子光晶格钟。这一成果不仅使我国成为继美国之后第二个达到上述综合指标的国家，而且为未来实现远距离光钟比对、建立超高精度的光频标基准和全球性光钟网络奠定了重要的技术基础。

目前，最先进的光钟比国际上用于秒定义的微波喷泉钟的精度高出了两个数量级以上。由于量子精密测量技术的发展，国际计量大会计划于2026年提出利用光钟重新定义国际单位制（SI）“秒”的具体路线，并将在2030年做出最终决定。为了推动基于光钟的新一代秒定义，要求至少3个不同实验室的光钟不确定度优于2×10-18，并通过光学链路或移动光钟实现优于5×10-18的频率比对精度。

图1展示了中国科大Sr 1和Sr 2光钟的异步比对操作和稳定度性能。研究团队在基于光晶格的超冷原子量子模拟方面开展了卓有成效的工作，已先后在《自然》和《科学》发表了9篇论文，为发展高精度的光晶格钟奠定了必要的技术基础。该团队实现了锶原子（87Sr）的激光冷却，并将其束缚在长寿命的一维光晶格中，利用一束预先锁定到超稳腔的超稳激光来探寻锶原子钟态跃迁，并实现了光钟闭环运行。

通过两套独立的锶原子光晶格钟（Sr 1和Sr 2）进行了频率比对测量，得到了单套光钟的稳定度在10000秒积分时间被达到了4×10-18，在47000秒达到了2.1×10-18，整体达到了5.4×10-16/sqrt(τ)，其中τ是积分测量的时间。在此基础上，研究团队还对Sr 1光钟的系统频移因素开展了逐项评定，最终得到其系统不确定度为4.4×10-18，相当于72亿年仅偏差1秒。这一性能指标表明该光钟系统已部分满足“秒”重新定义的要求。

这项研究工作提升了我国原子光频标的性能指标，结合潘建伟、张强、姜海峰、彭承志等前期实现的万秒稳定度优于4×10-19的百公里自由空间高精度时间频率传递的研究成果，为下一步建立远距离光钟比对（如 Sr/Yb, Sr/Ca ）奠定了坚实基础。这项成果对未来构建新一代全球时间基准乃至提供引力波探测、暗物质搜索的新方法等具有重要价值。