日前，中國計量科學(xué)研究院（以下簡稱“中國計量院”）成功搭建國內(nèi)首個“光鐘絕對頻率測量開放共享平臺”。該平臺旨在支持國內(nèi)10余家單位近20臺光鐘的研究工作，帶動我國時間頻率研究和應(yīng)用整體水平提升，在即將到來的新一輪“秒”定義變革中作出中國貢獻(xiàn)。

時間單位“秒”是國際單位制（SI）7個基本單位之一，也是長度、電流等單位復(fù)現(xiàn)的基礎(chǔ)物理量，對科學(xué)研究和社會生活影響巨大。

目前，銫原子噴泉鐘是秒定義的復(fù)現(xiàn)裝置，近年來隨著激光冷卻和飛秒光梳技術(shù)的高速發(fā)展，光鐘表現(xiàn)出了超過銫原子噴泉鐘2個數(shù)量級的潛在優(yōu)勢，2006年第17次國際時間頻率咨詢委員會(CCTF)會議通過了鍶原子、鍶離子、鐿原子、鐿離子、汞原子、汞離子、鋁離子的光鐘頻率作為國際時間單位“秒”的次級定義。近幾年，我國鍶原子（中國計量科學(xué)研究院、中科院國家授時中心）、鐿原子（華東師范大學(xué)、中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）、鈣離子（中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）、鋁離子（中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、華中科技大學(xué)）等光鐘研究取得了較大進(jìn)展，其頻率不確定度已達(dá)到10-16 ~ 10-17量級，預(yù)計很快全面進(jìn)入10-18量級。

2019年520世界計量日，國際單位制新定義正式實施，修改“秒”定義成為國際計量界的主要議題。國際計量局（BIPM）時間頻率咨詢委員會（CCTF）及國際單位制咨詢委員會（CCU）都在積極推進(jìn)秒定義修改的討論。為此，作為我國的國家計量院——中國計量院搭建國內(nèi)首個“光鐘絕對頻率測量開放共享平臺”，重點支持國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)共同盡早取得技術(shù)突破，實現(xiàn)高水平光鐘絕對頻率量值評估，奠定中國在國際秒定義修改中的話語權(quán)。

圖1 中科院上海光機(jī)所和華力創(chuàng)通公司的兩臺銣原子噴泉鐘在中國計量院實驗室校準(zhǔn)

據(jù)了解，該平臺依托中國計量院國家秒長基準(zhǔn)NIM5和原子時標(biāo)國家計量基準(zhǔn)UTC(NIM)，采用兩種獨立技術(shù)體系測量光鐘絕對頻率。基于兩個測量結(jié)果進(jìn)行雙盲驗證，最大程度抑制了由測量設(shè)備、測量過程、測量條件和數(shù)據(jù)處理等引入的不確定性，保障了光頻量值溯源的準(zhǔn)確與可靠，頻率校準(zhǔn)能力最高達(dá)E-16量級，該技術(shù)指標(biāo)也是目前國際上光鐘絕對頻率測量的最高水平之一。為我國加快探索光鐘駕馭氫鐘產(chǎn)生下一代時間基準(zhǔn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對于建設(shè)我國獨立自主、準(zhǔn)確可靠的時間頻率體系意義深遠(yuǎn)。

主要設(shè)施及技術(shù)指標(biāo)：2臺銫原子噴泉基準(zhǔn)鐘NIM5和NIM6，其中后者頻率不確定度優(yōu)于5.8E-16，相當(dāng)于5400萬年不差1秒；1套原子時標(biāo)國家計量基準(zhǔn)UTC(NIM)，時間穩(wěn)定度0.16ns/5d，達(dá)到了同期國際領(lǐng)先水平；多套高穩(wěn)定性光纖光頻梳裝置，連續(xù)鎖定時間達(dá)30天以上、梳齒線寬達(dá)Hz量級，突破了窄線寬光頻梳技術(shù)壁壘。

目前，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所2臺鈣離子光鐘、中國科學(xué)院上海光機(jī)所和華力創(chuàng)通公司各1臺銣原子噴泉鐘已送至中國計量院昌平院區(qū)開展頻率測量與比對。

圖 2 中科院武漢物數(shù)所的可搬運鈣離子光鐘在中國計量院校準(zhǔn)絕對頻率