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卢晓同，中国科学院国家授时中心副研究员，研究生导师，为国家授时中心常宏研究员带领的锶光钟团队的核心骨干。主要从事光晶格原子钟研究方向，研究内容包括光晶格原子钟的研制、基于光晶格原子钟的量子精密测量和基于光晶格的原子分子光谱和量子模拟等。承担国家自然科学基金1项、参与中科院战略先导专项和合肥国家实验室科技创新2023等重大项目多项。

近日，中国科学院国家授时中心常宏研究员带领的锶光钟团队在光晶格钟研究领域取得重大突破，团队研制的锶原子光晶格钟将时间精度提高到160亿年不差1秒。简单来说，普通钟表的钟摆摆动一次是1秒，而高速“跳动”的锶原子振荡429万亿次为1秒。此次研制的锶原子光晶格钟，满足了未来“秒”定义从微波原子钟变更为光学原子钟的性能要求，并使我国成为继美国之后，第二个实现光晶格钟性能优于2×10-18的国家。

光晶格钟到底是什么？与我们平时用的机械表、电子表有啥本质区别？怎么理解“160亿年不差1秒”？应用于什么领域？近日，华商报大风新闻记者专访了中国科学院国家授时中心副研究员、研究生导师、常宏研究员带领的锶光钟团队的核心骨干卢晓同。

光晶格钟与我们平时用的表有什么区别？

华商报：什么是光晶格钟？与我们平时用的机械表、电子表有什么本质区别？

卢晓同：光晶格钟是一种基于量子物理原理的超高精度计时装置，它利用激光冷却的原子（如锶或镱）在光晶格中的能级跃迁频率（频率超过400THz）作为计时基准，其精度可达数百亿年误差一秒。机械表依赖摆轮游丝或发条的机械振动（每天有秒级的误差），电子表则依靠石英晶体振荡（每月有10秒级的误差）。此外，光晶格钟需要复杂的实验室条件（如激光冷却、真空环境等），体积庞大，主要用于科研领域（如基础物理研究、时间标准定义等），传统钟表设计紧凑，服务于日常计时需求。

简言之，光晶格钟是基于原子本身的自然振动——量子跃迁频率，而机械表和电子表是基于用人工制造的机械或电子振荡器的固有频率，两者的精度差距如同用显微镜与肉眼观察世界的差别。

“这台钟从宇宙诞生到现在都不会偏差1秒”

华商报：怎么理解“160亿年不差1秒”？普通人能直观理解它的准度吗？

卢晓同：可以这样理解：宇宙年龄约138亿年，这台钟从宇宙诞生到现在都不会偏差1秒。

华商报：光晶格钟的核心原理是什么？名字里的“光晶格”是什么意思？和传统原子钟（比如国际标准的铯原子钟）比，它因为什么而更精准？

卢晓同：光晶格钟的核心原理是利用囚禁在光晶格势阱里大量中性冷原子的光频跃迁为时钟的频率参考，兼具高的稳定度和准确度的优点。

由于采用驻波光场在空间中形成的周期为半波长的偶极力势阱——光晶格囚禁冷原子，因此叫做光晶格钟。相对的，离子光钟则是基于离子阱囚禁单个（或多个）冷离子工作。

传统的原子钟工作在微波频域（约10GHz），而光晶格钟的跃迁频率在100000GHz量级。原子钟的输出频率表征了1秒内电磁场振荡的次数，可以将其比作尺子大刻度间小刻度的数量。因此，可以将光晶格钟更精准的原因理解为其具备更细致的小刻度，可以对时间进行更加精密的测量。

很难在日常生活中得到应用

华商报：为什么锶原子（87Sr）被选作“钟摆”？其他原子行吗？

卢晓同：除了锶原子87Sr和88Sr（以及它们的离子87Sr+和88Sr+），还有很多原子或离子同样可以作为“钟摆”，包括：镱原子171Yb（及其离子171Yb+）、汞原子199Hg（及其离子199Hg+）、铥原子169Tm、铍原子钙离子40Ca+和铝离子27Al+等。由于具备丰富的同位素、超长钟跃迁能级激发态寿命和易于进行原子激光冷却等优点，锶原子（87Sr）当前是被研究得最多的，对其原子结构的研究也较其他候选元素深入很多。

华商报：这么准的钟，普通人能感受到吗？生活里用得到吗？

卢晓同：如此高精度的光钟很难在日常生活中得到应用。然而，时间测量精度的提升对于基础科学研究意义非凡，包括为深空导航提供时频基准、大幅度提升甚长基干涉望远镜的测量时间、用于相对论测地学和重力场变化检测等。

对国家战略安全至关重要

华商报：光晶格钟一般应用于什么领域？它对国家科技发展有啥战略意义？

卢晓同：光晶格钟作为目前世界上最精准的计时工具之一，主要应用领域包括：时间基准与全球定位系统（光晶格钟的极高精度可用于重新定义国际单位制“秒”，未来将取代现有的铯原子钟标准，为卫星导航（如GPS、北斗）提供时间基准）；基础科学研究（如，验证广义相对论，暗物质与引力波探测，量子计模拟和相对论测地学等）。

光晶格钟对国家科技发展具有重要的战略意义，包括：提升国际标准话语权，掌握下一代时间定义技术，增强在全球计量体系中的影响力；推动高精尖技术突破，光晶格钟涉及激光冷却、量子调控、超稳光学等前沿科技，可带动光电子、精密制造等产业发展；增强国防与信息安全，高精度时间同步是现代化战争和信息网络的核心基础，自主可控的原子钟技术对国家战略安全至关重要。

160亿年“不差1秒”咋验证的？

华商报：未来手机上会用光晶格钟吗？

卢晓同：未来手机不太可能直接使用光晶格钟，但光钟的衍生技术可能间接影响移动设备，比如：卫星搭载光晶格钟后，手机GPS/北斗的定位精度可能提升至毫米级；光晶格钟技术可能推动下一代通信标准，为6G/量子通信服务。

华商报：“160亿年不差1秒”的结论是怎么验证的？是用超级计算机模拟，还是通过长期观测对比？

卢晓同：这个结果并不是超级计算机量子模拟的结果，而是通过简单的数据计算获得：考虑光钟的系统不确定度为2×10-18（其表明系统的误差评估存在2×10-18的不确定度，最坏的情况是这个误差随时间直接累计），因此，误差1秒所需要的时间就是1/(2×10-18)s≈160亿年。

已超越欧盟和日本仅次于美国

华商报：未来光晶格钟还能更准吗？有没有理论上的“极限”？

卢晓同：从技术发展的角度很难给光晶格钟的长期发展极限作出预测，在从目前光晶格原子钟的主要系统频移项黑体辐射频移和晶格光交流斯塔克频移的测量精度而言，在达到3×10-19以后就很难再有进一步突破了，即意味者1100亿年误差1秒。

华商报：我国的光晶格钟技术在国际上处于什么水平？全球第几？这次突破对全球时间计量标准（比如“秒”的定义）会有影响吗？

卢晓同：我国近年在光晶格钟领域频频取得佳绩，光晶格钟在精度方面已经超越了欧盟和日本，仅次于美国。此次国家授时中心成功研制了系统不确定度和不稳定度均低于2×10-18的锶原子光晶格钟，意味着世界上有了三台系统不确定度低于2×10-18的锶原子光晶格钟。这使得锶原子光晶格钟成为首个完全满足光学“秒”定义变更对光钟性能提出的要求，将有可能改变光学“秒”定义变更的路线，后者至少使得锶原子光晶格钟在光学“秒”定义过程中拥有更大的话语权。

珠峰上光晶格钟的时间流速更快

华商报：如果将光晶格钟放在珠峰和海底，时间会不同吗？

卢晓同：由于地球引力场对其周围时空的弯曲，越是靠近地球的物体，其时间的流逝速度就越慢（对应的频率越低）。因此如果将同一台光晶格钟分别放在珠峰和海底，珠峰上光晶格钟的时间流逝速度会更快，对应的输出频率会更高。

华商报：科幻电影里的“时间机器”与光晶格钟有关系吗？

卢晓同：这两者没有直接关联。科幻电影里的时间机器能够让物体回到过去的世界，这个以当前的理论来说是不可能的。时间是被创造出来用于方便描述物质的运动的一个物理量，而光晶格钟是用于定义时间基本刻度“1秒”的科学仪器。 华商报大风新闻记者 任婷