日前，中國計(jì)量科學(xué)研究院（以下簡稱“中國計(jì)量院”）成功搭建國內(nèi)首個(gè)“光鐘絕對(duì)頻率測(cè)量開放共享平臺(tái)”。該平臺(tái)旨在支持國內(nèi)10余家單位近20臺(tái)光鐘的研究工作，帶動(dòng)我國時(shí)間頻率研究和應(yīng)用整體水平提升，在即將到來的新一輪“秒”定義變革中作出中國貢獻(xiàn)。
時(shí)間單位“秒”是國際單位制（SI）7個(gè)基本單位之一，也是長度、電流等單位復(fù)現(xiàn)的基礎(chǔ)物理量，對(duì)科學(xué)研究和社會(huì)生活影響巨大。
目前，銫原子噴泉鐘是秒定義的復(fù)現(xiàn)裝置，近年來隨著激光冷卻和飛秒光梳技術(shù)的高速發(fā)展，光鐘表現(xiàn)出了超過銫原子噴泉鐘2個(gè)數(shù)量級(jí)的潛在優(yōu)勢(shì)，2006年第17次國際時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)(CCTF)會(huì)議通過了鍶原子、鍶離子、鐿原子、鐿離子、汞原子、汞離子、鋁離子的光鐘頻率作為國際時(shí)間單位“秒”的次級(jí)定義。近幾年，我國鍶原子（中國計(jì)量科學(xué)研究院、中科院國家授時(shí)中心）、鐿原子（華東師范大學(xué)、中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）、鈣離子（中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）、鋁離子（中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、華中科技大學(xué)）等光鐘研究取得了較大進(jìn)展，其頻率不確定度已達(dá)到10-16 ~ 10-17量級(jí)，預(yù)計(jì)很快全面進(jìn)入10-18量級(jí)。
2019年520世界計(jì)量日，國際單位制新定義正式實(shí)施，修改“秒”定義成為國際計(jì)量界的主要議題。國際計(jì)量局（BIPM）時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)（CCTF）及國際單位制咨詢委員會(huì)（CCU）都在積極推進(jìn)秒定義修改的討論。為此，作為我國的國家計(jì)量院——中國計(jì)量院搭建國內(nèi)首個(gè)“光鐘絕對(duì)頻率測(cè)量開放共享平臺(tái)”，重點(diǎn)支持國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)共同盡早取得技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)高水平光鐘絕對(duì)頻率量值評(píng)估，奠定中國在國際秒定義修改中的話語權(quán)。
圖1 中科院上海光機(jī)所和華力創(chuàng)通公司的兩臺(tái)銣原子噴泉鐘在中國計(jì)量院實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)
據(jù)了解，該平臺(tái)依托中國計(jì)量院國家秒長基準(zhǔn)NIM5和原子時(shí)標(biāo)國家計(jì)量基準(zhǔn)UTC(NIM)，采用兩種獨(dú)立技術(shù)體系測(cè)量光鐘絕對(duì)頻率?；趦蓚€(gè)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行雙盲驗(yàn)證，最大程度抑制了由測(cè)量設(shè)備、測(cè)量過程、測(cè)量條件和數(shù)據(jù)處理等引入的不確定性，保障了光頻量值溯源的準(zhǔn)確與可靠，頻率校準(zhǔn)能力最高達(dá)E-16量級(jí)，該技術(shù)指標(biāo)也是目前國際上光鐘絕對(duì)頻率測(cè)量的最高水平之一。為我國加快探索光鐘駕馭氫鐘產(chǎn)生下一代時(shí)間基準(zhǔn)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，對(duì)于建設(shè)我國獨(dú)立自主、準(zhǔn)確可靠的時(shí)間頻率體系意義深遠(yuǎn)。
主要設(shè)施及技術(shù)指標(biāo)：2臺(tái)銫原子噴泉基準(zhǔn)鐘NIM5和NIM6，其中后者頻率不確定度優(yōu)于5.8E-16，相當(dāng)于5400萬年不差1秒；1套原子時(shí)標(biāo)國家計(jì)量基準(zhǔn)UTC(NIM)，時(shí)間穩(wěn)定度0.16ns/5d，達(dá)到了同期國際領(lǐng)先水平；多套高穩(wěn)定性光纖光頻梳裝置，連續(xù)鎖定時(shí)間達(dá)30天以上、梳齒線寬達(dá)Hz量級(jí)，突破了窄線寬光頻梳技術(shù)壁壘。
目前，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所2臺(tái)鈣離子光鐘、中國科學(xué)院上海光機(jī)所和華力創(chuàng)通公司各1臺(tái)銣原子噴泉鐘已送至中國計(jì)量院昌平院區(qū)開展頻率測(cè)量與比對(duì)。
圖 2 中科院武漢物數(shù)所的可搬運(yùn)鈣離子光鐘在中國計(jì)量院校準(zhǔn)絕對(duì)頻率
