时刻准确到千亿亿分之一！

　　我国科学技能大学潘建伟团队初次在世界上完成百公里级的自由空间高精度时刻频率传递试验，时刻传递安稳度到达飞秒量级，频率传递万秒安稳度优于4×10-19，相关论文于2022年10月5日23点在线发表于世界闻名学术期刊《天然》杂志。潘建伟、张强、姜海峰为本文一起通讯作者。

　　暮色退去、拂晓初现，咱们睁开蒙眬的双眼做的第一件作业是什么？信任大部分人一定是——看时刻！

　　从每一个人的学习作业安排，到整个社会的有序工作，时刻关于咱们真实太重要了。小学生学习写作文后都知道，记叙文的根本要素有时刻、地址、人物和工作。

　　时刻是什么，又怎么去丈量和同享时刻？对这些问题的探求贯穿整个人类文明史。春去秋来，时过境迁，大天然的改动让古人感触到了时刻的存在，一起也意识到可以使用天然界中的这些周期现象来衡量时刻。人们曾用各种不同的方法去记载时刻的消逝。

　　“日出扶桑,入于咸池”，通过太阳的东升西落，咱们知道了“一天”有多长；“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”，通过月相变幻，咱们界说了“一月”；“春生夏长，秋收冬藏”，四季循环让咱们感触到了“一年”。这些时刻规范都是根据天体运动的周期，例如地球的自转、公转。单摆摇摆、绷簧振荡等等，它们也具有周期性，使用这些机械运动的周期，人们制造出机械挂钟来丈量时刻。还有物体在阳光下的投影、漏壶安稳的滴水，这些现象也都表现出了周期改动的性质，因而咱们有了日晷、水钟……原则上，任何周期性现象都可以作为咱们的时刻规范。

　　可是，地球的自转公转周期也存在不均匀，单摆的摇摆避免不了冲突等要素的影响，日晷、水钟会遭到环境湿度温度的影响……这些要素都影响了时刻丈量的准确性，逐步不能满意人们现在对时刻精度的要求。能否找到一个更安稳、更准确的周期现象，然后进步咱们对时刻的丈量精度呢？

　　让咱们把目光从工作有序的天体转向独特的量子世界。世界由细小的原子组成，每一个原子都可以看成是一个结构安稳的量子体系，在原子核的捆绑之下，核外电子在特定的能级轨道上不断演化、运动。

　　原子具有不同的能级，电子在两个能级间发生跃迁时，会发生或吸收电磁波。量子理论则告知咱们，两个能级的能量差决议了电磁波的频率（能量差只需除掉一个普朗克常量h，便是电磁波的频率了）。原子的能级结构很安稳，与之相应的电磁波频率也便是安稳的了。而所谓频率，便是单位时刻内的振荡次数，知道了频率，也就得到了时刻。一般，咱们把时刻和频率总称为时频。看！原子的性质给予了咱们丈量时刻的一个新途径。

　　除了安稳，另一个重要的作业是，原子的共振频率很高，例如铯133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁频率是9,192,631,770赫兹，也便是说，1秒钟振荡超越90亿次。振荡频率越高，计时就会越准确，这就像丈量长度的尺子，刻度越密，丈量精度就越高。

　　根据以上现实，原子钟诞生了。使用和原子的共振，咱们可以制造出频率高且安稳的振荡器，进而去完成极高的时刻丈量精度。

　　正因为原子钟的优异功能，在第13届世界衡量衡会议上，秒被从头界说了。秒由铯原子钟来界说，从此，时刻基准所根据的不再是天体规则，而是量子世界中原子的行为。铯原子钟可以做到一亿年只要1秒的差错。

　　铯原子钟的频率在微波波段，现在科学家们又开发了锶、镱等新式原子钟，它们的频率要更高，在光学波段，因而被称作“光学原子钟”，简称“光钟”。光钟的丈量精度现在现已可以做到千亿亿分之一，即10-19，在整个世界年纪的时刻尺度上，差错还不到1秒。

　　人们是怎么不断进步“挂钟”功能的，是一个激动人心的故事，可是到这儿，故事还不完好。另一半故事是：咱们还需求把精准的时刻传达出去。当想知道现在的时刻时，你会怎么做？当然不是跑到量子试验室去求助光钟，你会看下电脑上的挂钟。咱们电脑中有一个内置的计时挂钟，而为了校对不断堆集发生的计时差错，每隔一段时刻，通过网络连接，它会和规范“北京时刻”进行比对和同步。而北京时刻根据的是国家授时中心的原子钟时刻。

　　准确的计时不该局限于高冷的试验室，还要飞入寻常百姓家，因而，咱们不只要有最准确的原子钟，还要有与之精度相匹配的时刻传递技能。准确、安稳的时刻基准和高精度的时频传递，两者相同重要。

　　现在常用的时频传递方法有微波和光纤。使用光纤，现已能完成精度很高的时刻传递，可以满意最准确光钟的要求，但光纤有其局限性，例如一些偏远地区还没有铺设光纤，也无法满意海上导航和定位的需求；别的，要完成全球性的时频传递网络，咱们也需求在自由空间传输的技能，例如微波传输技能。咱们知道，微波的频率要比可见光频率低许多，这就像一把刻度疏松的尺子，在根本上约束了微波时刻传递的精度。使用微波，无法满意光钟时刻精度的传递需求。

　　光给予咱们精度10-19的时刻规范，怎么完成精度10-19的时刻传递呢，咱们相同求助于光。在这个世界上，有不同的光源，比方太阳光是遍及各种频率的接连光、咱们常见的激光是单一频率的光源，还有另一种独特的激光——光学频率梳，即光梳。

　　光梳是一种超短脉冲激光，其光谱具有很独特的性质：含有一系列不同的频率信号，并且这些频率是离散、等间隔的。这些光学频率信号就像一个个梳齿，因而这种激光得名“光梳”。在时刻上，光梳相邻脉冲的间隔比一般脉冲激光也具有更高的精度。

　　光梳的呈现让人们可以愈加准确、也更为简单的去丈量频率和时刻间隔。因其重要性，对光梳技能做出开创性奉献的约翰·霍尔（John Hall）和特奥多尔·亨施（Theodor Hänsch）获得了诺贝尔奖。光梳技能现在现已广泛应用于光钟、激光雷达、地理观测等等范畴。

　　跟着光钟技能的开展，光钟很有或许成为下一代时刻频率规范。全球性光钟网络的树立，亟需高精度的自由空间时频传递技能。光梳在其中发挥着关键作用。最近，我国科学技能大学团队根据光梳技能成功完成了自由空间中相距113公里的时频传递，精度到达10-19水平，满意了现在最高精度光钟的需求。

　　地上邻近自由空间的环境远比光纤中要杂乱、要喧闹，大气中的各种扰动和湍流、链路损耗、环境改动等等要素给自由空间中的长间隔时频传递带来了极大困难。之前，自由空间中的光频传输技能只能完成10公里量级的传输间隔。

　　我国科大团队向这一难题建议应战——在光源方面，研制出高功率高安稳度光梳，在光信号收发信道方面，研制出高安稳性且高效率的光收发望远镜体系，别的选用线性光学采样的干与丈量方法完成高精度的时刻丈量。通过一系列技能攻关，终究根据双飞秒光梳和线公里的新疆南山地理台和高崖子地理台之间完成了万秒10-19量级安稳度的时频传递。

　　在奥运赛场，百米大战最为激动人心，输赢往往在毫厘之间，咱们直观上感觉到准确计时的重要性。东京奥运会选用高精度计时器，每秒可以捕捉10,000幅数码影像。在科学范畴，时刻的丈量精度就更高得多了，精度现已步入10-19量级。作为七大根本物理量之一的时刻，是现在丈量最准确的物理量。人们不断在理论和技能上进行探究来进步时刻丈量精度，是为了什么呢？

　　准确的丈量有望带给咱们对世界的全新知道。一百多年前，闻名物理学家开尔文勋爵就以为“物理学的未来,将只要在小数点第六位后边去寻觅”，精细计量学的含义可见一斑。2005年诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔更是说“计量学是科学之母”。时刻的准确丈量和传递，将使人们可以对相对论原理、各种引力理论、暗物质模型等等根底物理进行试验查验。丈量成果的细小不同，带给咱们的却或许是时空观念的改动。

　　光钟以及光频传递技能的开展，有望让人们从头界说“秒”。现在秒的界说在1967年被确认，是由铯原子钟来界说的。通过几十年的开展，时刻丈量与比对的准确程度现已比原有界说优异两个以上数量级，因而世界计量安排方案2026年评论“秒”界说的改动。秒是七大根本物理量之一，且现在其他根本物理量（除物质的量外）均直接或直接与时频规范相联系。因而，新的“秒”界说将给整个科学范畴乃至社会的方方面面带来改动。