中科院突破！我国实现160亿年误差≤1秒，成世界第二

今日新闻 2025年08月23日 14:48 2 aa

最近，中国科学院国家授时中心的锶光钟团队在国际学术期刊《计量学》上发表文章，宣布他们成功研制出频率稳定度和系统不确定度均优于2×10⁻¹⁸的锶光晶格钟，将时间测量精度提升至160亿年偏差不超过一秒，标志着我国在光晶格钟领域的研制水平已进入世界领先行列。

时间与长度、质量一样，都是最基础的物理量，时间测量也是人类最早掌握的测量技术。从古代的日晷、沙漏到现代的电子表和原子钟，时间测量精度不断提升，不仅关乎科学探索，更是现代社会高效、安全、稳定运行的基础。

测量时间依赖于周期性重复的过程。自然界提供了年、月、日这样的宏观时间尺度——地球绕太阳转一圈是公历的一年，月球绕地球转一圈是农历的一个月，地球自转一圈是一天。

但更短的时间单位（时、分、秒）则需要人类设计周期过程来测量。日晷依赖太阳影子的移动，水钟或沙漏依赖水流或沙流的速度计时。

伽利略发现单摆的等时性——摆的周期只与摆长和重力加速度有关，小角度摆动下与摆幅无关；惠更斯将单摆与齿轮结合，由此发明的摆钟每天误差约10秒（一天86400秒，相对误差约1×10⁻⁴）。

现代科学技术的进步大幅提高了时间测量精度。石英通电后以固定频率振动，用电子电路统计振动次数，即电子表的原理。将机械摆动升级为电信号后，计时精度提升至每天0.1秒（约1×10⁻⁶的精度）。

原子是物质的基本单元，包含许多天然、不易受外界影响的周期过程。原子钟利用原子的稳定电磁跃迁频率作为计时器，测量精度可大幅提升。起初精度为1×10⁻⁸（一亿分之一），如今精度最高的铯原子钟可达2×10⁻¹⁶（几亿年差一秒），广泛应用于卫星导航、通信同步等领域。

以铯原子钟为例，铯-133原子在特定微波频率照射下会发生超精细能级跃迁，释放固定频率的电磁波。通过微波腔调节外部微波频率，使其与铯原子跃迁频率共振，此时原子吸收能量最多，系统锁定这一频率作为基准。电子电路统计微波振荡次数，每累计9192631770次即定义为一秒。

铯原子钟

1967年，第十三届国际计量大会正式采用铯原子钟定义秒，作为国际单位制的时间标准，取代了基于地球公转的历书秒。2019年国际单位制改革后，秒的定义不再依赖实物标准，而是完全基于物理常数——铯原子频率。

随着测量技术的高速发展，光钟（如中国科学院国家授时中心研制成功的锶光晶格钟）的精度远超传统微波钟。国际计量委员会正推动在2030年重新定义秒，用光钟取代微波钟作为国际秒的标准，这一变革将进一步提升全球时间测量精度，影响导航、通信、量子计算、精密测量等诸多领域。

光晶格钟是基于光学频率的原子钟，是当前时间计量领域最先进、最精确的技术之一。它利用激光囚禁和探测中性原子（如锶等）的光学跃迁频率来计时，精度可达10⁻¹⁸量级（百亿年误差不超过一秒），远超传统微波原子钟（如铯钟）。

光晶格钟的核心在于：传统原子钟（如铯钟）利用微波跃迁（约10¹⁰赫兹），而光晶格钟利用原子（如锶）的光学跃迁频率（可见光或近红外波段，约10¹⁵赫兹）。光学频率比微波频率高四到五个数量级，因此能实现更精细的时间分割。同时，激光形成的驻波光场构建光晶格，将成千上万个中性原子囚禁在微米尺度的势阱中，避免原子碰撞和外界干扰，允许所有原子同步探测以提高信噪比。