李天初近影

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心鍶原子光鐘實(shí)驗(yàn)室

近日，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所高克林研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究組，成功研制出我國(guó)首臺(tái)基于單個(gè)囚禁鈣離子的“光鐘”，從此中國(guó)躋身于國(guó)際上少數(shù)幾個(gè)擁有光鐘的國(guó)家。筆者就光鐘的相關(guān)問(wèn)題對(duì)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院李天初院士進(jìn)行了專訪。

進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到“光鐘”不僅具有比微波鐘更好的極限準(zhǔn)確度潛力，而且國(guó)外做的比較好的光鐘的準(zhǔn)確度已經(jīng)超過(guò)了最好的微波鐘。早在2001年末，美國(guó)《科學(xué)》雜志在預(yù)測(cè)值得關(guān)注的6大熱門科技領(lǐng)域時(shí)評(píng)述道，“由于光鐘工作在更高頻的光波而非較低頻率的微波輻射，因此光鐘比此前的儀器更精確”。近些年光鐘更是成為國(guó)際時(shí)間頻率研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。那么，國(guó)內(nèi)外計(jì)量界專家為何對(duì)這項(xiàng)技術(shù)如此津津樂(lè)道呢？

依靠特異性能 滿足多樣需求

鐘表里“嘀嗒”一聲，我們稱之為一秒，現(xiàn)行的時(shí)間單位“秒”是以銫原子在微波波段上的躍遷為基礎(chǔ)定義的。中國(guó)計(jì)量院先后研制的兩型銫原子噴泉鐘是中國(guó)復(fù)現(xiàn)秒定義的基準(zhǔn)裝置。而“光鐘”工作在光學(xué)波段，利用冷原子或離子提供頻率參考，將激光頻率鎖定到原子或離子的振蕩頻率；然后利用獲得諾貝爾獎(jiǎng)的飛秒光學(xué)頻率梳技術(shù)（光梳），將光鐘的頻率或者轉(zhuǎn)換到微波波段進(jìn)行溯源、計(jì)數(shù)和應(yīng)用，或者轉(zhuǎn)換到其他光學(xué)波段來(lái)比對(duì)和應(yīng)用。李天初這樣解釋“光梳”對(duì)于光鐘的作用：“光梳相當(dāng)于機(jī)械擺鐘中的齒輪，是光鐘的“減速器”，將一個(gè)高的光學(xué)頻率下轉(zhuǎn)換成較低的微波頻率，從而實(shí)現(xiàn)光波和微波的銜接。”可以說(shuō)“光梳”技術(shù)為光鐘的真正應(yīng)用準(zhǔn)備了條件。

光鐘緣何成為國(guó)內(nèi)外計(jì)量專家舌尖上的話題？首先得益于光鐘精準(zhǔn)的計(jì)時(shí)，這一突出的優(yōu)勢(shì)使得光鐘有可能成為下一代頻率基準(zhǔn)。我國(guó)首臺(tái)“光鐘”研制人員高克林說(shuō)：“由于光學(xué)頻率比微波頻率高出4到5個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在相同其他條件下，光鐘的穩(wěn)定度將優(yōu)于微波鐘100到1000倍。通俗地講就是用它計(jì)時(shí)精度更高。”除了時(shí)間頻率計(jì)量外，光鐘在科學(xué)研究方面具有巨大的潛力。李天初介紹說(shuō)：“光鐘在物理學(xué)和天文學(xué)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用，物理學(xué)家和天文學(xué)家可能開(kāi)展相對(duì)論驗(yàn)證、引力紅移試驗(yàn)、基本物理常數(shù)是否隨時(shí)間變化、深空探測(cè)、引力波測(cè)量等一系列重大前沿科學(xué)研究。”李院士還形象地講述了3年前美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院(NIST)所進(jìn)行的重力頻移實(shí)驗(yàn)，由于地球的引力場(chǎng)在豎直方向是有梯度的，正是將整個(gè)光鐘抬高33厘米，來(lái)驗(yàn)證在不同的重力下，頻率是否變化。

研制種類多樣 能力亟須提升

光鐘概念的提出可以追溯到上世紀(jì)70年代末，1978年美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院(NIST)第一次提出了離子光鐘的概念。目前不僅美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本、英國(guó)、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在光鐘的研制方面取得了巨大的成果，一些發(fā)展中國(guó)家也開(kāi)始嶄露頭角。

我國(guó)開(kāi)始光鐘研制的時(shí)間略晚，但是近些年取得了重大的進(jìn)展。李天初介紹說(shuō)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前，中科院武漢物數(shù)所、中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、清華大學(xué)、華東師范大學(xué)，中科院國(guó)家授時(shí)中心等9家單位相繼投入研制9種13臺(tái)光鐘，是世界上研制光鐘種類、臺(tái)數(shù)和家數(shù)最多的國(guó)家。

據(jù)李天初介紹說(shuō)，除了武漢物理和數(shù)學(xué)研究所研制的鈣離子“光鐘”目前取得了成果外，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在研的鍶原子光晶格鐘也取得了良好進(jìn)展，并計(jì)劃在不久的未來(lái)研制出準(zhǔn)確度更高的鍶光鐘。據(jù)了解鍶光晶格鐘是目前國(guó)際上研究最為普遍的一種光鐘，是未來(lái)修改秒定義最有力的候選之一。

優(yōu)化機(jī)構(gòu)模式 水平仍需提高

國(guó)外對(duì)于光鐘的研究起步于上世紀(jì)70年代，并且一些國(guó)家早在90年代取得了豐碩的成果。據(jù)李天初介紹說(shuō)，目前國(guó)際上引領(lǐng)光鐘研究的主要有三家機(jī)構(gòu)，離子光鐘主要由美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院進(jìn)行研制；原子光鐘研究的領(lǐng)頭羊主要有兩家，一家是日本的東京大學(xué)，另一家是美國(guó)的實(shí)驗(yàn)天體物理實(shí)驗(yàn)室（JILA），由美國(guó)的計(jì)量院和科羅拉多大學(xué)聯(lián)合建立。

據(jù)李天初介紹，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院是離子光鐘方面研究的“弄潮兒”，率先研制了汞離子光鐘和鋁離子光鐘，開(kāi)創(chuàng)和帶動(dòng)很多重大創(chuàng)新。

美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院和科羅拉多大學(xué)聯(lián)合建立的天體物理實(shí)驗(yàn)室（JILA）由一名叫葉軍的華裔科學(xué)家?guī)ьI(lǐng)，他是科羅拉多大學(xué)物理系的教授，2011年被選為美國(guó)科學(xué)院院士。對(duì)他研制的鍶原子光鐘，卡爾・蔡司研究獎(jiǎng)（卡爾蔡司股份公司是光學(xué)和光電子業(yè)界全球領(lǐng)先的企業(yè)集團(tuán)）的網(wǎng)站這樣評(píng)價(jià)：“從穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度看，他的裝置是目前世界上鍶原子鐘中最領(lǐng)先的裝置之一。專家們預(yù)測(cè)，這臺(tái)鐘測(cè)量時(shí)間的準(zhǔn)確度比目前保存在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)局中的銫原子鐘更準(zhǔn)確……相當(dāng)于7000萬(wàn)年差一秒。”

東京大學(xué)科學(xué)家香取秀俊于2002年提出的一種新的原子光鐘“光晶格鐘”，去年8月與日本信息通信研究機(jī)構(gòu)研制的“鍶光晶格鐘”的頻率進(jìn)行比較實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)這兩個(gè)鐘符合到了6500萬(wàn)年僅誤差1秒的高準(zhǔn)確度。

“相對(duì)于美國(guó)、日本、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等處于一流研究水準(zhǔn)的國(guó)家，我國(guó)目前的研制水平還處于跟蹤階段。”李天初如是說(shuō)，“我們?cè)谝黄鸷芰w慕JILA的這種研究模式，科羅拉多大學(xué)在美國(guó)并不是一流大學(xué)，但是他們和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)院聯(lián)合組成的這個(gè)實(shí)驗(yàn)室出了不少世界級(jí)的研究成果。所以3年前我們中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院與清華大學(xué)建立了精密測(cè)量聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，這樣強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，可以發(fā)揮各自獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。”由此可見(jiàn)，我國(guó)科學(xué)研究已經(jīng)開(kāi)始注重從國(guó)際上借鑒研究機(jī)構(gòu)的模式，因?yàn)楹侠淼难芯繖C(jī)構(gòu)才能聚攏高素質(zhì)人才，創(chuàng)造高質(zhì)量的成果，而這樣一個(gè)研究機(jī)構(gòu)的出現(xiàn)無(wú)疑又將為我國(guó)的未來(lái)研究事業(yè)開(kāi)辟一種組織形式。

光鐘小檔案

“光鐘”是目前為止最精確的計(jì)時(shí)手段。所謂光鐘，就是利用原子在光波波段的躍遷來(lái)定義時(shí)間/頻率標(biāo)準(zhǔn)的。當(dāng)前原子鐘的原子躍遷頻率是在微波波段，而光學(xué)頻率比微波頻率高5個(gè)數(shù)量級(jí)。因此通過(guò)對(duì)光學(xué)頻率的精密控制和光學(xué)頻率與微波頻率的高精度轉(zhuǎn)換，可以提供超高精度的時(shí)間和頻率標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)更精確的計(jì)時(shí)�！犊茖W(xué)》雜志報(bào)道的研究成果表明，光鐘將比目前最好的時(shí)鐘精度提高100倍，將能提供“對(duì)物理世界更細(xì)致的觀察”，并將有助于建立對(duì)自然界基本定律的更深入的認(rèn)識(shí)。該研究成果也將對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航、通信及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生影響。