李天初近影

中國科學院國家授時中心鍶原子光鐘實驗室

近日，中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所高克林研究員領導的研究組，成功研制出我國首臺基于單個囚禁鈣離子的“光鐘”，從此中國躋身于國際上少數(shù)幾個擁有光鐘的國家。筆者就光鐘的相關問題對中國計量科學研究院李天初院士進行了專訪。

進入21世紀，科學家認識到“光鐘”不僅具有比微波鐘更好的極限準確度潛力，而且國外做的比較好的光鐘的準確度已經(jīng)超過了最好的微波鐘。早在2001年末，美國《科學》雜志在預測值得關注的6大熱門科技領域時評述道，“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際時間頻率研究的一個新熱點。那么，國內(nèi)外計量界專家為何對這項技術如此津津樂道呢？

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)行的時間單位“秒”是以銫原子在微波波段上的躍遷為基礎定義的。中國計量院先后研制的兩型銫原子噴泉鐘是中國復現(xiàn)秒定義的基準裝置。而“光鐘”工作在光學波段，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的飛秒光學頻率梳技術（光梳），將光鐘的頻率或者轉(zhuǎn)換到微波波段進行溯源、計數(shù)和應用，或者轉(zhuǎn)換到其他光學波段來比對和應用。李天初這樣解釋“光梳”對于光鐘的作用：“光梳相當于機械擺鐘中的齒輪，是光鐘的“減速器”，將一個高的光學頻率下轉(zhuǎn)換成較低的微波頻率，從而實現(xiàn)光波和微波的銜接。”可以說“光梳”技術為光鐘的真正應用準備了條件。

光鐘緣何成為國內(nèi)外計量專家舌尖上的話題？首先得益于光鐘精準的計時，這一突出的優(yōu)勢使得光鐘有可能成為下一代頻率基準。我國首臺“光鐘”研制人員高克林說：“由于光學頻率比微波頻率高出4到5個數(shù)量級，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時精度更高。”除了時間頻率計量外，光鐘在科學研究方面具有巨大的潛力。李天初介紹說：“光鐘在物理學和天文學領域都有重要的應用，物理學家和天文學家可能開展相對論驗證、引力紅移試驗、基本物理常數(shù)是否隨時間變化、深空探測、引力波測量等一系列重大前沿科學研究。”李院士還形象地講述了3年前美國標準技術院(NIST)所進行的重力頻移實驗，由于地球的引力場在豎直方向是有梯度的，正是將整個光鐘抬高33厘米，來驗證在不同的重力下，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70年代末，1978年美國標準技術院(NIST)第一次提出了離子光鐘的概念。目前不僅美國、法國、德國、日本、英國、韓國等發(fā)達國家在光鐘的研制方面取得了巨大的成果，一些發(fā)展中國家也開始嶄露頭角。

我國開始光鐘研制的時間略晚，但是近些年取得了重大的進展。李天初介紹說，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，中科院武漢物數(shù)所、中國計量科學研究院、清華大學、華東師范大學，中科院國家授時中心等9家單位相繼投入研制9種13臺光鐘，是世界上研制光鐘種類、臺數(shù)和家數(shù)最多的國家。

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

優(yōu)化機構模式 水平仍需提高

國外對于光鐘的研究起步于上世紀70年代，并且一些國家早在90年代取得了豐碩的成果。據(jù)李天初介紹說，目前國際上引領光鐘研究的主要有三家機構，離子光鐘主要由美國標準技術院進行研制；原子光鐘研究的領頭羊主要有兩家，一家是日本的東京大學，另一家是美國的實驗天體物理實驗室（JILA），由美國的計量院和科羅拉多大學聯(lián)合建立。

據(jù)李天初介紹，美國標準技術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，開創(chuàng)和帶動很多重大創(chuàng)新。

美國標準技術院和科羅拉多大學聯(lián)合建立的天體物理實驗室（JILA）由一名叫葉軍的華裔科學家?guī)ьI，他是科羅拉多大學物理系的教授，2011年被選為美國科學院院士。對他研制的鍶原子光鐘，卡爾・蔡司研究獎（卡爾蔡司股份公司是光學和光電子業(yè)界全球領先的企業(yè)集團）的網(wǎng)站這樣評價：“從穩(wěn)定度和準確度看，他的裝置是目前世界上鍶原子鐘中最領先的裝置之一。專家們預測，這臺鐘測量時間的準確度比目前保存在美國國家標準和技術局中的銫原子鐘更準確……相當于7000萬年差一秒。”

東京大學科學家香取秀俊于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構研制的“鍶光晶格鐘”的頻率進行比較實驗，確認這兩個鐘符合到了6500萬年僅誤差1秒的高準確度。

“相對于美國、日本、法國、德國、英國等處于一流研究水準的國家，我國目前的研制水平還處于跟蹤階段。”李天初如是說，“我們在一起很羨慕JILA的這種研究模式，科羅拉多大學在美國并不是一流大學，但是他們和美國標準技術院聯(lián)合組成的這個實驗室出了不少世界級的研究成果。所以3年前我們中國計量科學研究院與清華大學建立了精密測量聯(lián)合實驗室，這樣強強聯(lián)合，可以發(fā)揮各自獨有的優(yōu)勢。”由此可見，我國科學研究已經(jīng)開始注重從國際上借鑒研究機構的模式，因為合理的研究機構才能聚攏高素質(zhì)人才，創(chuàng)造高質(zhì)量的成果，而這樣一個研究機構的出現(xiàn)無疑又將為我國的未來研究事業(yè)開辟一種組織形式。

光鐘小檔案

“光鐘”是目前為止最精確的計時手段。所謂光鐘，就是利用原子在光波波段的躍遷來定義時間/頻率標準的。當前原子鐘的原子躍遷頻率是在微波波段，而光學頻率比微波頻率高5個數(shù)量級。因此通過對光學頻率的精密控制和光學頻率與微波頻率的高精度轉(zhuǎn)換，可以提供超高精度的時間和頻率標準，實現(xiàn)更精確的計時。《科學》雜志報道的研究成果表明，光鐘將比目前最好的時鐘精度提高100倍，將能提供“對物理世界更細致的觀察”，并將有助于建立對自然界基本定律的更深入的認識。該研究成果也將對衛(wèi)星導航、通信及計算機網(wǎng)絡同步等應用領域產(chǎn)生影響。