整合相关科研力量 直追世界一流水平中国光钟力争为世界读秒

　　近日，中国科学院武汉物理与数学研究所高克林研究员领导的研究组，成功研制出我国首台基于单个囚禁钙离子的“光钟”，从此中国跻身于国际上少数几个拥有光钟的国家。笔者就光钟的相关问题对中国计量科学研究院李天初院士进行了专访。

　　进入21世纪，科学家认识到“光钟”不仅具有比微波钟更好的极限准确度潜力，而且国外做的比较好的光钟的准确度已经超过了最好的微波钟。早在2001年末，美国《科学》杂志在预测值得关注的6大热门科技领域时评述道，“由于光钟工作在更高频的光波而非较低频率的微波辐射，因此光钟比此前的仪器更精确”。近些年光钟更是成为国际时间频率研究的一个新热点。那么，国内外计量界专家为何对这项技术如此津津乐道呢？

　　依靠特异性能 满足多样需求

　　钟表里“嘀嗒”一声，我们称之为一秒，现行的时间单位“秒”是以铯原子在微波波段上的跃迁为基础定义的。中国计量院先后研制的两型铯原子喷泉钟是中国复现秒定义的基准装置。而“光钟”工作在光学波段，利用冷原子或离子提供频率参考，将激光频率锁定到原子或离子的振荡频率；然后利用获得诺贝尔奖的飞秒光学频率梳技术（光梳），将光钟的频率或者转换到微波波段进行溯源、计数和应用，或者转换到其他光学波段来比对和应用。李天初这样解释“光梳”对于光钟的作用：“光梳相当于机械摆钟中的齿轮，是光钟的“减速器”，将一个高的光学频率下转换成较低的微波频率，从而实现光波和微波的衔接。”可以说“光梳”技术为光钟的真正应用准备了条件。　

　　光钟缘何成为国内外计量专家舌尖上的话题？首先得益于光钟精准的计时，这一突出的优势使得光钟有可能成为下一代频率基准。我国首台“光钟”研制人员高克林说：“由于光学频率比微波频率高出4到5个数量级，因此在相同其他条件下，光钟的稳定度将优于微波钟100到1000倍。通俗地讲就是用它计时精度更高。”除了时间频率计量外，光钟在科学研究方面具有巨大的潜力。李天初介绍说：“光钟在物理学和天文学领域都有重要的应用，物理学家和天文学家可能开展相对论验证、引力红移试验、基本物理常数是否随时间变化、深空探测、引力波测量等一系列重大前沿科学研究。”李院士还形象地讲述了3年前美国标准技术院(NIST)所进行的重力频移实验，由于地球的引力场在竖直方向是有梯度的，正是将整个光钟抬高33厘米，来验证在不同的重力下，频率是否变化。

　　研制种类多样 能力亟须提升

　　光钟概念的提出可以追溯到上世纪70年代末，1978年美国标准技术院(NIST)第一次提出了离子光钟的概念。目前不仅美国、法国、德国、日本、英国、韩国等发达国家在光钟的研制方面取得了巨大的成果，一些发展中国家也开始崭露头角。

　　我国开始光钟研制的时间略晚，但是近些年取得了重大的进展。李天初介绍说，据不完全统计，目前，中科院武汉物数所、中国计量科学研究院、清华大学、华东师范大学，中科院国家授时中心等9家单位相继投入研制9种13台光钟，是世界上研制光钟种类、台数和家数最多的国家。

　　据李天初介绍说，除了武汉物理和数学研究所研制的钙离子“光钟”目前取得了成果外，中国计量科学研究院在研的锶原子光晶格钟也取得了良好进展，并计划在不久的未来研制出准确度更高的锶光钟。据了解锶光晶格钟是目前国际上研究最为普遍的一种光钟，是未来修改秒定义最有力的候选之一。

　　优化机构模式 水平仍需提高

　　国外对于光钟的研究起步于上世纪70年代，并且一些国家早在90年代取得了丰硕的成果。据李天初介绍说，目前国际上引领光钟研究的主要有三家机构，离子光钟主要由美国标准技术院进行研制；原子光钟研究的领头羊主要有两家，一家是日本的东京大学，另一家是美国的实验天体物理实验室（JILA），由美国的计量院和科罗拉多大学联合建立。

　　据李天初介绍，美国标准技术院是离子光钟方面研究的“弄潮儿”，率先研制了汞离子光钟和铝离子光钟，开创和带动很多重大创新。

　　美国标准技术院和科罗拉多大学联合建立的天体物理实验室（JILA）由一名叫叶军的华裔科学家带领，他是科罗拉多大学物理系的教授，2011年被选为美国科学院院士。对他研制的锶原子光钟，卡尔·蔡司研究奖（卡尔蔡司股份公司是光学和光电子业界全球领先的企业集团）的网站这样评价：“从稳定度和准确度看，他的装置是目前世界上锶原子钟中最领先的装置之一。专家们预测，这台钟测量时间的准确度比目前保存在美国国家标准和技术局中的铯原子钟更准确……相当于7000万年差一秒。”

　　东京大学科学家香取秀俊于2002年提出的一种新的原子光钟“光晶格钟”，去年8月与日本信息通信研究机构研制的“锶光晶格钟”的频率进行比较实验，确认这两个钟符合到了6500万年仅误差1秒的高准确度。

　　“相对于美国、日本、法国、德国、英国等处于一流研究水准的国家，我国目前的研制水平还处于跟踪阶段。”李天初如是说，“我们在一起很羡慕JILA的这种研究模式，科罗拉多大学在美国并不是一流大学，但是他们和美国标准技术院联合组成的这个实验室出了不少世界级的研究成果。所以3年前我们中国计量科学研究院与清华大学建立了精密测量联合实验室，这样强强联合，可以发挥各自独有的优势。”由此可见，我国科学研究已经开始注重从国际上借鉴研究机构的模式，因为合理的研究机构才能聚拢高素质人才，创造高质量的成果，而这样一个研究机构的出现无疑又将为我国的未来研究事业开辟一种组织形式。

　　光钟小档案

　　“光钟”是目前为止最精确的计时手段。所谓光钟，就是利用原子在光波波段的跃迁来定义时间/频率标准的。当前原子钟的原子跃迁频率是在微波波段，而光学频率比微波频率高5个数量级。因此通过对光学频率的精密控制和光学频率与微波频率的高精度转换，可以提供超高精度的时间和频率标准，实现更精确的计时。《科学》杂志报道的研究成果表明，光钟将比目前最好的时钟精度提高100倍，将能提供“对物理世界更细致的观察”，并将有助于建立对自然界基本定律的更深入的认识。该研究成果也将对卫星导航、通信及计算机网络同步等应用领域产生影响。