中国空间站“天宫课堂”中的原子钟：我国高性能光学原子钟迈向太空

前不久，中国空间站“天宫课堂”第四课开讲，一名中学生在聆听航天员的太空授课后，提出了关于时频实验柜原子钟精度及用途的疑问。航天员桂海潮耐心解答，称空间站上的冷原子微波钟1亿年误差不超过1秒，我国在地面上的光学原子钟已能做到10亿年误差不超过1秒。这种超高精度的时间基准，可用于基础物理研究，也能提高太空卫星定位精度。原子钟广泛应用于卫星导航、通信、电力等领域，我国科学家研发出高性能原子钟并送上中国空间站，打破国外技术垄断，掌握核心专利。

在北京怀柔雁栖湖畔的中国科学院空天信息创新研究院（怀柔园区），是国内空间光学原子钟（空间光钟）的生产基地之一。该院副研究员胡小华介绍，光钟主要由光学谐振腔、激光源、光电探测器、控制电路和显示单元等部分组成。团队通过持续创新，挑战技术难题，使零部件更小、功能更强。中国科学院国家授时中心研究员、我国载人空间站高精度时频柜副主任设计师常宏表示，光钟被认为是未来的基准原子钟，团队研发出空间光钟后，曾找不到合适的组装团队，而胡小华团队解决了空间光钟从图纸到产品的问题。

从“0”到“1”的研发过程极为艰难。2022年，科研人员仅依靠数十张复杂的图纸和数千个精密的零部件，将精密设备组装起来，成功研发制造出拥有自主知识产权的空间光钟系统，不仅站在世界科技前沿，还将其体积缩小一半以上，重量减轻至200多公斤。

2022年10月31日，长征五号B遥四运载火箭托举梦天实验舱升空，与之一同送入太空的世界首个高性能光钟备受关注。在梦天实验舱中，光钟将助力我国建成世界上在轨运行精度最高的空间时间频率系统，为卫星导航、通信、电力等领域提供更精准时间基准，提高我国在该领域的技术水平和话语权。

国家授时中心的锶原子光钟实验小组从2008年开始对锶原子光钟进行研究。围绕光学原子钟应用于空间导航等发展需求，国家授时中心开展锶冷原子光晶格钟研制工作，进行专利布局。以常宏团队为代表的发明人在光学原子钟方面攻坚克难，在相关领域拥有国内外专利10多件，特别是应用于空间站的锶原子光钟物理系统的技术，同时获得我国、美国和欧盟的专利授权，是空间光钟的核心技术之一。国家授时中心光钟研究团队创新成果频出，研制出世界先进水平的锶光钟，具备独立开展光钟溯源国际原子时TAI能力；研制出世界首台空间光钟，是目前世界唯一成功研制出地面基准光钟、可移动光钟、空间光钟的科研机构，在时频领域产生重要影响。

自1967年以来，基于铯原子超精细跃迁的原子钟一直用于实现国际单位制（SI）中的秒。现在的光学钟，其测量不确定性比最好的铯钟低两个数量级。高电荷离子中的光学跃迁有可能比现有技术精确一百万倍以上，这可能带来一系列应用转变，也可能在未来SI秒的重新定义中发挥作用，是科学家未来布局专利的热点领域。

为确保我国时间基准在国际时间单位变更时的安全可靠，常宏建立了国家授时中心新一代基准原子钟——光钟研究团队，带领队伍深入国际最前沿，研制出世界先进水平的锶原子光钟，其绝对频率测量数据已被国际采用，使国家授时中心具备基准光钟独立溯源国际原子时TAI的能力。光钟作为最新一代基准钟，国际时间频率咨询委员会计划在2030年通过光钟取代目前冷原子微波钟，更新和复现新的时间单位。