新聞科研進展
近日，精密測量院黃學人研究團隊在可搬運光鐘及其守時應用研究中取得重要進展。團隊研制成一臺小型化可搬運鈣離子光鐘，并同北京衛星導航中心聯合開展光鐘駕馭氫鐘守時應用的研究，實現氫鐘頻率月穩定度2個量級以上的提升，充分展現出光鐘作為高精度基準鐘在獨立自主守時應用中的優越性。相關研究成果近期發表在國際計量局（BIPM）主辦的計量學領域著名期刊《計量學》（Metrologia）上。
近年來，光鐘系統頻移不確定度及穩定度達到了E-18～E-19量級，有望取代銫噴泉鐘成為下一代國際秒定義（SI）的實現方式。高精度光鐘在基本物理規律檢驗、時間計量和大地測量等領域有著廣泛的應用前景。以時間計量為例，國際原子時（TAI）作為一種精度在E-16量級的時間尺度，已成為各個國家時間計量機構的溯源參考依據，它是通過全球約500臺微波原子鐘加權平均得到的，而其中約90%的貢獻來自于主動氫鐘。主動氫鐘擁有優異的可靠性和天穩定度，但其工作機制決定了它存在不可避免的長期頻率漂移，導致長期穩定度顯著惡化。因此，如何抑制該頻率漂移，讓其變得“又準又穩”，成為時間計量領域多年以來的重要工作和核心難題之一。利用高精度光鐘駕馭氫鐘等微波鐘進行守時被國際時頻界認為是下一代守時體系的核心技術，所實現的高精度“光時標”有望解決上述難題，實現守時體系的代際提升。但是，由于光鐘系統極其復雜等現實問題，國際上光鐘領域的研究總體上還處于實驗室的基礎研究和原理演示階段，難以提供高精度、高可靠性的光鐘用于長期守時服務。
針對上述問題，精密測量院離子光頻標團隊長期從事小型化可搬運光鐘的研制，以滿足國家高精度時頻體系建設的重大需求。團隊在2017年公開報道了全球首臺基于單離子的可搬運光鐘原理樣機，引起了國際同行的廣泛關注和高度評價。經過多年研究，團隊系統性地提出了一整套可搬運光鐘模塊化和集成化解決方案，實現了一系列核心部件的國產化，同時在光鐘頻移物理效應的深度抑制和精密測量方面實現了多項技術創新，獲得國家發明專利十余項。2023年，團隊研制出全新一代小型化、集成化的可搬運光鐘，其系統頻移不確定度達到1E-17，天穩定度達到3E-17，該成果入選《中國科學院自主研制科學儀器》名錄，為可搬運光鐘的廣泛應用奠定了良好的基礎。
在本項目研究中，該可搬運光鐘經過1200公里的快遞運輸后抵達目的地，在一天時間內即完成安裝調試并順利開機運行。在接下來為期半年的光鐘駕馭氫鐘守時研究中，得益于該光鐘的高精度指標及93.6%/半年的超高運行率，團隊人員實現對主動氫鐘噪聲模型的精準構建，并由此優化設計駕馭策略及駕馭算法，最終實現對主動氫鐘頻率漂移的精準扣除。研究結果顯示，經過光鐘駕馭后的氫鐘頻率月穩定度從3E-15提升到4E-17，改善高達2個量級，這意味著由此產生的光時標的精度有望達到每月100 ps的超高水平。同時，研究人員還以協調世界時（UTC，即TAI加上閏秒修正）為參考對駕馭所產生的光時標進行了評價，結果顯示其月穩定度已達到UTC自身所處的1E-16極限水平，顯著優于同期國際上利用銫噴泉鐘駕馭氫鐘守時的眾多守時機構所產生的時標。
該小型化可搬運光鐘具有出色的可靠性，駕馭所產生的光時標性能優異，對推動高精度光時標的廣泛實際應用具有重要意義。對此，審稿人給予了“The transportable optical clock has impressive uptime and the demonstrated stability of the optically-steered timescale shows a significant improvement. The experimental work shows encouraging results in terms of future optically-steered timescales.”的高度評價。
小型化可搬運光鐘及其駕馭氫鐘產生光時標的結果
該研究成果近日以 “Local time scale upgrade with a transportable optical clock”為題發表在國際計量領域著名期刊《計量學》（Metrologia）上。精密測量院博士后袁易、袁金波，高級工程師曹健為共同第一作者，精密測量院高級工程師曹健、研究員黃學人以及北京衛星導航中心高級工程師李國俊為共同通訊作者。該研究工作同時得到了精密測量院頻標技術中心陳群峰研究團隊的大力幫助。
小型化可搬運光鐘的研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院等機構長期以來的大力支持。
論文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ae46a4