谁来定义未来一秒？“武汉光钟”正与全球顶尖竞跑

湖北日报新闻客户端1小时前

湖北日报全媒记者夏永辉李玉麟通讯员陈思梦卢梦雨

在人类测量时间的漫长历史上，东方是最早亮起曙光的地方之一。

数千年前，华夏先民便开始了立圭表、观日影、制漏刻；元代郭守敬的《授时历》，更将古代历法精度推至顶峰，其测年时间与现代时间仅差了约26秒，领先于世界三百年。

2026年上半年，这一源远流长的“计时”传统，在湖北武汉结出了新的硕果。在中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（以下简称“精密测量院”）的实验室里，由高克林、管桦两代科学家接续领军攻关的科研团队，成功研制出第二代液氮低温钙离子光钟，其总系统不确定度（即测得准不准）达到了惊人的4.4E-19，同比上一代精度提升近10倍。

通俗地讲：这台武汉产“时钟”连续不停地走720亿年——这个时间比宇宙138亿年的年龄还要大几倍——而它积累的误差，还不到1秒。

据了解，这是目前已报道的全球不确定度指标最高的光钟，相关成果今年2月发表于国际顶级刊物《物理评论快报》（Physical Review Letters），它意味着我国在时间测量领域，时隔数百年后再次进入世界精度的第一梯队。

液氮低温钙离子光钟

逐“光”而行，从日晷到光钟的跃迁

远古，我们的祖先“日出而作，日入而息”，用日晷对照太阳的影子来划分时辰。后来，水钟、沙漏、机械摆钟等相继登场——17世纪惠更斯发明的摆钟，将计时精度推进到每天误差几分钟。

20世纪中叶，石英钟的误差缩小到每天不足1秒，但石英计时仍会随着温度变化及老化等因素而“迟疑”。

真正的飞跃发生在1955年。英国物理学家埃森制造出第一台铯原子钟——它不再依赖宏观的机械或晶体振动，而是利用原子内部电子跃迁时，释放的微波频率来计时。

时间计量为何要如此精准？中国科学院精密测量院囚禁离子物理组组长、研究员管桦给记者举了一个例子：光速是每秒30万公里，卫星导航定位正是通过测量信号的传播时间来推算距离；1毫秒（0.001秒）的时间误差，对应着300公里的距离偏差；1微秒（0.000001秒）的误差，则意味着300米。

既然微波可以用来计时，那么振动频率更高的光波，能否将计时精度再提升几个数量级？这就是“光钟”的基本构想。

据了解，目前我国北斗卫星上搭载的微波钟，精度已达10⁻¹⁴至10⁻¹⁵量级；而光钟的精度要再高出3、4个数量级，一旦应用于导航，定位精度将发生质的飞跃。

47岁的管桦介绍，2000年中国科学院精密测量院正式开始研究“光钟”，这是当时国际上的热点，但国内还是一片空白。

为何是钙离子，一个极有挑战的探索

同国际上一样，中国科学院精密测量院也在研究各种“光钟”，如钙离子、镱原子、铝离子和镱离子等，各有关团队都在辛勤地探索。

“我们团队之所以选择钙离子，是因为它的光频跃迁既是高精度的候选原子体系之一，同时能级结构又比较简单；实验思路容易实现，系统也容易集成，可能率先实现应用。”管桦介绍：“钙离子还有一个独特的优势——‘魔幻囚禁场’，相当于可以设计一种‘防抖’工具，提高精度。”

“钙离子路线有优势，也有劣势。”68岁的研究员高克林，从事囚禁离子物理实验多年。他介绍，钙离子对因温度引起的黑体辐射及磁场比较敏感。

打个比方说，光钟的“心脏”是一颗被激光囚禁的离子。科学家希望它安安静静地、以最本真的频率跳动。但实验室的墙壁、真空腔体、甚至空气中的分子都有温度，它们会发出黑体辐射，像无数只看不见的手，不停地“推搡”那颗离子——光钟就走不准了。

面对这些挑战，奥地利、日本、法国的研究团队，在初步实现钙离子光频标后，就没有了音讯。我们能迎接此挑战吗？中国科学院院士叶朝辉研究员鼓励团队说：“越是不占优不被看好的离子，越要迎难而上，做到被人认可。”这句话让高克林、管桦等人坚定了信心。最终，他们通过约-193°C液氮低温等技术攻克了众多难点。

为什么要冷却到零下近200度？管桦说，我们可以把钙离子想象成一个正在跳舞的人，热辐射会让它跳得不够规矩。而在液氮低温环境，几乎所有的能量——外界的“推搡”都被冻住了。

之所以选择-193°C的液氮环境，这是在物理效果、工程复杂程度和成本之间的最优平衡。如此，就能在当代的实验条件下，把钙离子光钟做到最高精度。

原理图

手搓“离子阱”，26年长跑从“土办法”开始

在这场持续26年的“长跑”中，有许多故事值得铭记。

2003年前后，高克林从美国华盛顿大学带回来的囚禁单离子的核心装置——“离子阱”出了问题，访遍全国也找不到能修的地方。最终大家决定，采用新的连接方法，自己动手做。

从一根不锈钢细棒开始，在显微镜下用砂纸一点点地磨。这个只有一两毫米大小的环形结构，需要表面极其光滑、毫无毛刺。反反复复，前后后后，科研团队经历了一年多的实验迭代。

“这个‘离子阱’，真的是手搓出来的。”高克林说。

早期的实验条件比较艰苦。那时没有自动补液装置，每隔半小时就要人工灌一次液氮。整个团队轮流值班，一个夏天下来，大家全病倒了。

到2005年，随着“离子阱”的完善、激光器的稳频、电磁场的控制等技术突破，高克林团队终于首次实现单个钙离子的囚禁和冷却。

2010年，管桦正在美国国家标准与技术研究院（NIST）做访问学者，刚到一两个月，国内团队就遇到关键技术瓶颈。管桦接到电话后二话没说，买了机票就赶回来。回来后连续一个月，每天同高克林一起熬夜到转钟3点……

2021年1月，武汉地铁8号线二期开通，带来了一个意外情况：地铁途经实验室附近，强大的电流驱动着列车，由此产生的磁场抖动，严重影响实验数据采集。

初期没有解决办法，大家只能把工作时间调到地铁停运后的午夜零点至凌晨五点。连续一年多，科研人员日夜颠倒地坚守在实验室。后来，团队改进了屏蔽设计，把磁场蔽层从一两层增加到五六层，并优化了激光入射孔的位置和大小，终于解决了这一难题。

“实际上，影响光钟精度的因素有十几项之多，每项科研攻关都需要时间和耐心去‘雕刻’，期间遇到了无数次阻碍，又无数次调整实验方案……”团队主要骨干黄垚研究员介绍，团队里的专家们一任接着一任干，20多年甘坐冷板凳。

液氮低温光钟内部

志在星海，光钟轻“叩”新世界大门

2025年底，中国科学院精密测量院与武汉大学等联合主办了一场国际学术研讨会，科学家们围绕着原子钟、时频信号传递等技术进展，就解决全球高程基准统一等课题展开了可能性的探讨。

所谓“高程基准统一”，就是要解决“世界各地的海拔零点不一样”的问题。中国的海拔基选择青岛黄海海面，‌日本‌是东京湾，欧盟倾向于北海平均海平面，美国多采用大地水准面。传统的国际水准测量，就像拿着尺子一站一站地量，耗时耗力，而且跨越大洋时根本没法测量。用光钟等技术可不可以统一全球高程基准，科学家们认为有希望。

除了导航和测高，高精度光钟还有更科幻的使命——探索宇宙的终极秘密。

专家们介绍，光钟是目前人类最精密的“测量尺子”，可以用来检验一些最基本的物理定律是否真的“亘古不变”。比如，物理学家想知道“精细结构常数”——一个决定原子如何发光的重要参数——会不会在宇宙尺度上发生极其微小的漂移。如果光钟发现它变了，将颠覆现有物理学理论。

光钟还能用来“捕捉”暗物质。如果暗物质粒子从光钟附近飞过，可能会与原子发生极其微弱的相互作用，导致光钟频率出现微小的“跳动”。通过监测这种跳动，科学家有可能第一次“抓住”暗物质的踪迹。

光钟还能用于探测引力波——时空本身的“涟漪”。通过比较分布在太空中不同位置光钟的时间差，有可能捕捉到引力波经过时，引起的时空微小拉伸。

“测量的精度越高，我们能看到的物理世界就越奇妙。”管桦介绍，这是物理学界的共识。

科研团队主要成员（2021年）（从左：张宝林、曾孟彦、黄垚、高克林、管桦、张华青、钱源）

以时为证，超越自我追问极限

在中国科学院精密测量院钙光钟的实验室里，设备的低鸣声仿佛时代进步的脚步声。

2011年到2018年，团队通过改进激光、引入“防抖”的魔幻囚禁场、双钟互校等技术，一步步把钙离子光钟的精度从10⁻¹⁶提升到了2.2×10⁻¹⁷——相当于连续走16亿年误差不到1秒。

凭借可搬运的钙离子光钟不确定性的精度，中国的时间测量方案于2021年被推选为国际“秒”定义的次级参考。

2022年，光钟的总不确定度达到了3.0×10-18——相当于105亿年误差不到1秒。随后，研究团队又通过全方位的技术革新，采用了新的液氮低温系统、改善杂散电场噪声引入的加热效应、利用三维激光边带冷却技术、优化二阶多普勒频移、精确测定平均塞曼系数等，实现了性能的跨越式提升。今年年初，钙离子光频标不确定度达到了4.4×10-19。

至此，该团队与美国国家标准与技术研究院的铝离子光钟（不确定度5.5E-19，即约500亿年误差不到1秒）、新加坡的镥离子钟（不确定度6E-19，约500亿年误差不到1秒）、美国天体与原子分子联合实验室的锶原子光钟（不确定度5.5E-19，约400亿年误差不到1秒）以及中国科技大学潘建伟团队的锶原子光钟（不确定度5.5E-19，即约300亿年误差不到1秒）等科研团队，在总体上（衡量光钟还要考虑稳定度指标——即走得稳不稳）处于并驾齐驱状态，这为我国在下一轮全球科技竞争中增添了主动性。

团队的目光已经投向了更远的未来：进一步优化系统性能，推动光钟走出实验室，并积极参与高精度光钟的比对实验，为2030年国际“秒”的重新定义作出中国人的贡献。

场景应用也在进一步走近。实验光钟体积，已从一辆卡车大小，缩小到了一个立方米左右。未来，可搬运光钟或能缩小到一台电脑的主机大小，可以装在车上、卫星上，更好地服务于国家重大战略需求。

一部时间测量史，就是一部人类不断超越自我、追问极限的历史。

研究员的工作场景