中國科大潘建偉、陳宇翱、戴漢寧等組成的研究團隊，成功研制了萬秒穩(wěn)定度和不確定度均優(yōu)于5×10-18（相當于數(shù)十億年的誤差不超過一秒）鍶原子光晶格鐘。根據(jù)公開發(fā)表的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)不僅是當前國內(nèi)綜合指標最好的光鐘，也使得我國成為繼美國之后第二個達到上述綜合指標的國家。該成果對未來實現(xiàn)遠距離光鐘比對、建立超高精度的光頻標基準和全球性光鐘網(wǎng)絡奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。相關(guān)成果于1月12日發(fā)表于國際計量領(lǐng)域重要學術(shù)期刊《計量學》。
目前，最先進的光鐘比國際上用于秒定義的微波噴泉鐘的精度高出了兩個數(shù)量級以上。正是基于量子精密測量技術(shù)的發(fā)展，第二十七屆國際計量大會通過了“關(guān)于秒的未來重新定義”的決議，計劃于2026年提出關(guān)于利用光鐘重新定義國際單位制（SI）“秒”的具體路線，并將在2030年做出最終決定。為了推動基于光鐘的新一代秒定義，要求至少3個不同實驗室的光鐘不確定度優(yōu)于2×10-18，并通過光學鏈路或移動光鐘實現(xiàn)優(yōu)于5×10-18的頻率比對精度。
圖1 中國科大Sr 1和Sr 2光鐘的異步比對操作和穩(wěn)定度性能
研究團隊近年來在基于光晶格的超冷原子量子模擬方面開展了卓有成效的工作，已先后在《自然》和《科學》發(fā)表了9篇論文，為發(fā)展高精度的光晶格鐘奠定了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。在該工作中，研究團隊實現(xiàn)了鍶原子（87Sr）的激光冷卻，并將其束縛在長壽命的一維光晶格中，利用一束預先鎖定到超穩(wěn)腔的超穩(wěn)激光來探尋鍶原子鐘態(tài)躍遷，并實現(xiàn)了光鐘閉環(huán)運行。通過兩套獨立的鍶原子光晶格鐘（Sr 1和Sr 2）進行了頻率比對測量，得到單套光鐘的穩(wěn)定度在10000秒積分時間被達到了4×10-18，在47000秒達到了2.1×10-18，整體達到了5.4×10-16/sqrt(τ)，τ是積分測量的時間。在此基礎(chǔ)上，研究團隊還對Sr 1光鐘的系統(tǒng)頻移因素開展了逐項評定，最終得到其系統(tǒng)不確定度為4.4×10-18相當于72億年僅偏差1秒。上述性能指標表明該光鐘系統(tǒng)已部分滿足“秒”重新定義的要求。
該研究工作提升了我國原子光頻標的性能指標，結(jié)合潘建偉、張強、姜海峰、彭承志等前期實現(xiàn)的萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于4×10-19的百公里自由空間高精度時間頻率傳遞 [Nature 610, 661 (2022)]，為下一步建立遠距離光鐘比對（如 Sr/Yb, Sr/Ca+）奠定了堅實基礎(chǔ)，對未來構(gòu)建新一代全球時間基準乃至提供引力波探測、暗物質(zhì)搜索的新方法等具有重要價值。
該研究工作得到了科技部、安徽省、上海市、自然科學基金委、中國科學院和新基石科學基金會等的資助。
論文鏈接：
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ad1a4c
（合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、物理學院、中國科學院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
