中国团队研制出不确定度指标最高光钟

近日，中国科学院精密测量院囚禁离子物理研究团队在光钟研究中取得重大突破，研制的第二代液氮低温钙离子光钟的总系统不确定度达到4.4E-19，相当于连续运行约720亿年误差不超过1秒，是目前报道的不确定度指标最高的光钟，相关成果发表于《物理评论快报》。

液氮低温钙离子光钟。精密测量院供图

据介绍，室温（约300K）情况下，钙离子的黑体辐射频移对温度较为敏感，长期以来是制约钙离子光钟性能的主要瓶颈。为解决这一问题，研究团队创新性地发展了液氮低温技术路线。与室温环境相比，将离子运行环境降低至液氮温区（约80K），理论上可使黑体辐射强度降低约200倍，可从本质上大幅降低黑体辐射频移。在前期成功实现3E-18不确定度的基础上，团队通过全方位的技术革新，在第二代系统中实现了性能的跨越式提升。

这项突破源于研究团队对多个关键技术的协同攻关与系统集成。在热控制方面，团队对光钟的机械结构、热连接方案和温度监测体系进行了精密设计；通过采用高导热材料、优化热平衡路径，并创新性地构建热学复刻装置并进行原位比对测量，成功将离子微环境的温度精确评估为79.5±1.5K，使黑体辐射频移不确定度降至3.5E-19。

在热运动控制方面，团队实现了三维边带冷却技术，将离子冷却至接近运动基态，结合低温环境下显著抑制的电场噪声（加热率低于1.3声子数/秒），将二阶多普勒频移不确定度降低至4E-20。在磁场控制方面，通过高精度光钟频率比对，精确测得了二阶塞曼系数，结合精确磁场控制，将相关不确定度控制在5E-20。

研究团队还通过多技术手段协同实现了对其他系统误差的精确抑制和评估：如采用“魔幻囚禁频率”抑制微运动效应，采用Hyper Ramsey光谱技术消除激光频移和AOM啁啾频移，交替探测多对塞曼跃迁抵消电四极频移，运用最新量子散射理论评估背景气体碰撞影响等。

经过对所有已知误差项的独立评估与合成，第二代液氮低温钙离子光钟的总系统不确定度为4.4E-19。这一指标的达成，验证了液氮低温技术路线的可行性和优越性，为光钟的发展提供了新的技术范式。

相关专家介绍，该研究成果标志着钙离子光钟的不确定度指标进入E-19量级。在基础研究领域，更高精度的光钟将提升对基本物理定律检验的灵敏度，为探索超越标准模型的新物理提供更精确的工具。在计量应用方面，它为基于光钟重新定义国际单位制"秒"提供了坚实的技术支撑。在工程应用层面，这一突破为发展下一代重力测量、精密导航定位等国家重大需求领域提供了核心频率基准。