記者6日從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉、戴漢寧、陳宇翱、彭承志等，成功將鍶原子光晶格鐘的穩定度和不確定度指標全面突破10?1?量級，相當于300億年的誤差不超過1秒。相關成果于3月5日發表于國際計量領域核心期刊《計量學》。
光鐘作為當今最精密的時間頻率標準，其核心在于利用原子內部能級躍遷產生的頻率信號來定義時間。光鐘能提供極高的計時精度，將直接支撐國際單位制中“秒”的重新定義，使全球時間標準邁入光學時代，精度較現有微波時間標準提升4個數量級。光鐘還能為衛星導航、通信和精密測量等現代科技提供可靠的時間基準，同時為檢驗廣義相對論、探測引力波和暗物質等物理學基礎研究領域提供全新的平臺。
光鐘的性能主要由穩定度與不確定度兩大核心指標（均為數值越小則性能越優）衡量：穩定度表征時鐘輸出頻率的噪聲水平與長期一致性，決定了測量結果的精密性；不確定度則量化了時鐘頻率與微觀粒子能級躍遷固有頻率（即絕對真值）的偏差程度，決定了測量結果的可信度。
以往，全球光鐘的穩定度與不確定度綜合性能主要停留在 10?1?量級，僅美國國家標準與技術研究院、德國聯邦物理技術研究院等少數頂尖機構接近或觸及該水平。中國科大研究團隊針對制約光鐘性能的關鍵瓶頸開展了長期系統性攻關，于近期取得多項突破性進展。
中國科大研究團隊設計并構建了一套精密的雙鐘比對系統。該系統包含兩個完全獨立的鍶原子光晶格鐘，通過兩臺獨立鍶光鐘的直接拍頻比對，驗證了2萬秒積分時間內的長期穩定度優于2.9×10?1?。在不確定度方面，團隊通過建立經原位驗證的空間分辨有限元模型，對黑體輻射頻移不確定度、原子溫度，顯著抑制原子碰撞導致的密度頻移，以及晶格光頻移不確定度、磁頻移不確定度等做了大幅度優化，從而使光鐘的綜合系統不確定度達到9.2×10?1?，相當于300億年的誤差不超過1秒，成為滿足國際單位制秒重新定義要求的高精度光鐘之一。
研究人員介紹，當光鐘的穩定度與不確定度均突破 10?1?量級時，將開啟一系列重要的前沿應用，例如，實現毫米級重力位與高度精密測量，可用于監測地殼形變、地下水位變化、火山活動預警及高精度大地水準面更新，支持災害防控與資源勘探；提供暗物質探測的新方法，可捕捉暗物質引起的瞬態低頻信號，有望超越傳統粒子實驗平臺。
研究人員表示，這一精度水平已顯著超過國際計量界對“秒”重新定義的門檻要求。國際標準要求至少3個獨立光學時間標準的不確定度優于2×10?1?，并經多機構驗證。穩定度與不確定度雙 10?1?性能可直接為我國在未來“秒”的重新定義中貢獻關鍵技術并實現主導。這一成果標志著我國在時間精密測量領域的研究水平已躋身國際最前列。
