时间，精确到千亿亿分之一！潘建伟团队取得量子精密测量重大突破

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从每一个人的学习工作安排，到整个社会的有序运转，时间对于我们实在太重要了。小学生学习写作文后都知道，记叙文的基本要素有时间、地点、人物和事件。

时间是什么，又如何去测量和共享时间？对这些问题的探究贯穿整个人类文明史。春去秋来，物换星移，大自然的变化让古人感受到了时间的存在，同时也意识到可以利用自然界中的这些周期现象来度量时间。人们曾用各种不同的方式去记录时间的流逝。

然而，地球的自转公转周期也存在不均匀，单摆的摆动避免不了摩擦等因素的影响，日晷、水钟会受到环境湿度温度的影响……这些因素都影响了时间测量的精确性，逐渐不能满足人们如今对时间精度的要求。能否找到一个更稳定、更精确的周期现象，从而提升我们对时间的测量精度呢？

让我们把目光从运转有序的天体转向神奇的量子世界。世界由微小的原子组成，每一个原子都可以看成是一个结构稳定的量子系统，在原子核的束缚之下，核外电子在特定的能级轨道上不断演化、运动。

原子具有不同的能级，电子在两个能级间发生跃迁时，会产生或吸收电磁波。量子理论则告诉我们，两个能级的能量差决定了电磁波的频率（能量差只需除去一个普朗克常量h，就是电磁波的频率了）。原子的能级结构很稳定，与之相应的电磁波频率也就是稳定的了。而所谓频率，即是单位时间内的振动次数，知道了频率，也就得到了时间。通常，我们把时间和频率统称为时频。看！原子的性质给予了我们测量时间的一个新途径。

除了稳定，另一个重要的事情是，原子的共振频率很高，例如铯133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁频率是9,192,631,770赫兹，也就是说，1秒钟振动超过90亿次。振动频率越高，计时就会越精确，这就像测量长度的尺子，刻度越密，测量精度就越高。

基于以上事实，原子钟诞生了。利用和原子的共振，我们可以制造出频率高且稳定的振荡器，进而去实现极高的时间测量精度。

正因为原子钟的优异性能，在第13届国际度量衡会议上，秒被重新定义了。秒由铯原子钟来定义，从此，时间基准所依据的不再是天体规律，而是量子世界中原子的行为。铯原子钟可以做到一亿年只有1秒的误差。

铯原子钟的频率在微波波段，现在科学家们又开发了锶、镱等新型原子钟，它们的频率要更高，在光学波段，因此被称作“光学原子钟”，简称“光钟”。光钟的测量精度现在已经可以做到千亿亿分之一，即10^-19，在整个宇宙年龄的时间尺度上，误差还不到1秒。

（墨子沙龙 制作）

（墨子沙龙 制作）

光梳是一种超短脉冲激光，其光谱具有很奇特的性质：含有一系列不同的频率信号，而且这些频率是离散、等间距的。这些光学频率信号就像一个个梳齿，因此这种激光得名“光梳”。在时间上，光梳相邻脉冲的间隔比普通脉冲激光也具有更高的精度。

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光梳的出现让人们可以更加精确、也更为容易的去测量频率和时间间隔。因其重要性，对光梳技术做出开创性贡献的约翰·霍尔（John Hall）和特奥多尔·亨施（Theodor Hänsch）获得了诺贝尔奖。光梳技术现在已经广泛应用于光钟、激光雷达、天文观测等等领域。

（墨子沙龙 制作）

地面附近自由空间的环境远比光纤中要复杂、要嘈杂，大气中的各种扰动和湍流、链路损耗、环境变化等等因素给自由空间中的长距离时频传递带来了极大困难。之前，自由空间中的光频传输技术只能实现10公里量级的传输距离。

（图片来自研究论文）

这一突破不仅带来地面上远距离时频传递的应用，还为未来基于中高轨卫星的高精度星地时频传递奠定了基础。

（撰文：王佳）

感谢沈奇、管建宇老师对本科普文章撰写的指导和帮助。