光钟
光钟是利用原子（或离子）内部光学频段的能级跃迁频率作为参考、据此校准激光并计量时间的原子钟，又称光学原子钟。其参考频率比现行定义秒的铯-133微波跃迁高约4万倍以上，因而稳定度与不确定度可高出微波钟数个数量级，目前实验室最好水平已进入10^-19量级。光钟被视为国际单位制「秒」重新定义的关键技术基础，也用于引力红移检验、重力位测量与暗物质探测等研究。
定义
光钟是原子钟的一种，其计时依据是原子内部电子在光学频段能级之间跃迁时吸收或释放光子的固定频率[1]。原子钟以原子中电子的振动为振子，凡振子处于光波段的，即称为光钟；将冷原子囚禁在激光形成的周期性势阱（光晶格）中工作的那一类，称光晶格钟[1]。按参考体系划分，光钟主要有中性原子光钟与离子光钟两条技术路线，前者可同时探测上万个原子，后者只探测单个离子[2]。光钟的性能通常用稳定度与不确定度两项指标衡量，两者均为数值越小越好：稳定度反映输出频率的噪声水平与长期一致性，不确定度反映频率与原子跃迁固有频率之间的偏差[3]。
现行国际单位制的秒由铯-133 原子基态两个超精细能级之间跃迁辐射的 9192631770 个周期定义，这一跃迁位于微波波段[1]。光钟采用的光频跃迁频率比微波高 4 至 5 个数量级，是把计时精度进一步提高的直接途径[2]。以锶-87 为例，其钟跃迁频率约为 429 THz，比铯原子钟的参考频率高近 5 万倍。
原理
光钟的核心是一段线宽极窄的「钟跃迁」。以碱土金属及类碱土金属原子（镁、钙、锶、镱、汞等）为例，最外层两个电子在单重态与三重态之间的跃迁线宽很窄，品质因子可达 $10^{14}\sim10^{15}$，适合作为频率参考[4]。为抑制热运动带来的多普勒展宽，需先用激光冷却降低原子速度，再把原子囚禁在势阱中与外界环境隔离[4]。在光晶格方案中，两束反向传播的激光干涉形成驻波势阱，原子被装入其中；若把晶格激光调到特定「魔术波长」，晶格光场造成的交流斯塔克频移理论上可压到 $10^{-17}$ 至 $10^{-18}$ 水平[4]。
除原子体系外，还需一台频谱极纯、线宽在赫兹量级的钟激光，通常把激光频率锁定在超低膨胀材料制成的超稳光学参考腔上[4]。激光探测原子、取得跃迁谱线后，通过反馈把激光频率锁定到原子跃迁上，形成闭环运行，再用光学频率梳把光频下转换为可计数的微波频率输出。
flowchart LR
A[激光冷却与囚禁的原子] --> B[超稳钟激光探测钟跃迁]
B --> C[获得窄线宽跃迁谱线]
C --> D[反馈锁定激光频率]
D --> E[飞秒光梳把光频下转换]
E --> F[输出可计数的频率与时间]
时间读数来自对振荡周期的计数：参考频率越高，单位时间内可分割的周期越多，计时越细[5]。同时，光钟的准确度还取决于对各类系统频移的评估与修正，包括黑体辐射频移、原子碰撞引起的密度频移、晶格光频移与磁频移等，这些项的不确定度直接决定整台钟的不确定度[3]。
发展历程
原子时的基础在 20 世纪中期奠定：1955 年，英国国家物理实验室的埃森等人研制出世界上第一台铯原子束钟[2]。1967 年，第 13 届国际计量大会把秒定义为铯-133 原子基态超精细跃迁的 9192631770 个周期，此后微波钟长期承担复现秒定义的职责[2]。微波基准钟的系统不确定度经过数十年改进达到 $10^{-16}$ 量级，接近其极限，进一步提高精度需要把参考频率移向光频段[2]。
2001 年，日本东京大学的香取秀俊提出光晶格钟方案，用「魔术波长」激光构成的驻波把原子逐个装入光格子中，再以原子吸收的光频率计时[6]。激光冷却、超稳激光与飞秒光学频率梳三项关键技术的成熟，使光学原子钟在此后二十年内快速发展，系统不确定度陆续进入 $10^{-18}$ 乃至 $10^{-19}$ 量级[2]。
2022 年，第 27 届国际计量大会通过「关于秒的未来重新定义」决议，计划 2026 年提出用光钟重新定义秒的具体路线，并于 2030 年作出最终决定[7]。国际时间频率咨询委员会提出的路线图规定了候选光钟的技术指标、比对能力与后续应用等要求[8]。
中国方面，中国计量科学研究院自 2005 年起自主研制锶原子光晶格钟，相对频率准确度后来达到 $10^{-18}$ 量级[9]。2024 年 1 月，中国科学技术大学团队研制出万秒稳定度和不确定度均优于 $5\times10^{-18}$ 的锶原子光晶格钟[10]。2025 年 6 月，中国科学院国家授时中心常宏团队的锶光晶格钟系统总不确定度达到 $1.96\times10^{-18}$。2026 年 3 月 5 日，中国科大潘建伟、戴汉宁、陈宇翱、彭承志等的成果发表于《计量学》(Metrologia)，其锶光晶格钟综合系统不确定度达 $9.2\times10^{-19}$，2 万秒积分时间长期稳定度优于 $2.9\times10^{-19}$[3]。此外，基于钍-229 原子核跃迁的核光钟方案也在 2026 年由清华大学等机构的研究团队实现，其参考对象为原子核能级而非核外电子[5]。
应用
光钟最直接的作用是作为时间频率计量的基准，为其他各类钟表的快慢提供最终参照[9]。达到 $10^{-19}$ 量级后，光钟可支撑国际单位制中秒的重新定义，使全球时间标准进入光学时代[11]。它也可为卫星导航、通信与精密测量提供时间基准，并为检验广义相对论、探测引力波和暗物质等基础研究提供平台[3]。
在精密测量方面，$10^{-19}$ 量级的光钟可实现毫米级重力位与高度测量，用于监测地壳形变、地下水位变化、火山活动预警以及高精度大地水准面更新，服务于灾害防控与资源勘探[11]。由于引力势的变化会改变光钟的频率，比较不同地点的光钟可反推重力位差，这一方法称计时水准测量；把可搬运光钟异地搬运并与实验室光钟比对，已多次测得与大地测量模型相符的重力势差结果[12]。光钟的高准度同样有利于引力波探测与物理常数变化的检验[9]。
局限
光钟的精度依赖复杂的实验条件。光晶格钟可同时囚禁并探测大量中性原子，短期稳定度较高，但原子密集会带来碰撞频移，晶格势阱较浅使原子容易逃逸，强晶格光又会引入斯塔克光频移，系统不确定度的精细评估与控制难度较大[2]。单离子光钟因只有一个粒子，短期稳定度天然受限，通常需要较长积分时间才能达到 $10^{-18}$ 量级的统计不确定度，且探测过程中的死区时间会引起迪克效应，使本地振荡器噪声混叠到低频、恶化稳定度[2]。
秒定义不能只凭一台钟确定，需要把世界各地多台钟的数据平均，因此光钟之间必须高精度比对。微波信号频率太低，无法直接承载光钟的高频信号；光波在大气中易被分子吸收并受湍流扰动，目前比对主要依靠光纤链路或把整台钟搬运到同一地点并排测量。国际计量界对秒重新定义设有门槛，要求至少 3 个独立光学时间标准的不确定度优于 $2\times10^{-18}$ 并经多机构验证[3]。
从实验室走向外场是另一重限制。高精度可搬运光钟的恢复时间可能长达数天甚至半个月以上，载车平台的振动会使超稳参考腔腔长变化、冷却光路光束偏转，从而引入频移，需专门的隔振设计抑制[13]。振动敏感度、热控精度与光学器件稳定性不足，还会使搬运状态下的钟激光线宽与频率漂移变差[14]。实验室光钟一旦停机，还需用氢微波激射器等设备记录空档时间，这也会给比对带来额外不确定度[15]。
参见
参考资料
- 1秒钟到底有多久 新研究首次对比3个顶级原子钟 [引用日期2026-10-29]
- 2)梳体光源技术：目前主流系统基于光纤飞秒激光器或钛蓝宝石固态激光器 [引用日期2026-10-29]
- 300亿年误差不超过1秒！我国在时间精密测量领域的研究水平已跻身国际最前列 [引用日期2026-10-29]
- 冷原子光钟 [引用日期2026-10-29]
- 突破国际瓶颈！我国清华师生成功攻克核光钟难题！ [引用日期2026-10-29]
- jst.go.jp 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- 我国光晶格钟研制步入世界领先行列 [引用日期2026-10-29]
- 光钟研究进展及秒定义变革 [引用日期2026-10-29]
- 锶原子光晶格钟：35亿年不差一秒 [引用日期2026-10-29]
- 72亿年仅偏差1秒！我国科学家研制成功 [引用日期2026-10-29]
- 我国科学家实现时间精密测量新突破 [引用日期2026-10-29]
- 发展，该方法的可靠性被大量的实验测量论证 [引用日期2026-10-29]
- 可移动光钟探测光学系统的隔振设计 [引用日期2026-10-29]
- 可搬运锶光钟宽带调谐亚赫兹超稳钟激光系统 [引用日期2026-10-29]
- 得益于光学原子钟，“一秒”的定义可以更精确了 [引用日期2026-10-29]