《计测技术》封面文章｜中国计量科学研究院房芳团队：原子钟技术发展与“秒”定义变革

封面解析

原子钟技术引领了国际单位(SI)中“秒”的定义由天文秒转换。随着科技的进步，特别是在激光冷却和囚禁技术的应用，原子钟稳定度、复现性和不确定度指标都有了明显提升。铯原子喷泉钟相比于热铯束钟的不确定度指标实现了量级突破，总不确定度已达到10^-16水平；而离子光钟和中性原子光钟的性能更优，其不确定度已进入10^-18~10^-19范围，超越了最好的铯喷泉钟。铯原子喷泉钟与光钟的发展为计量和卫星导航领域提供了有力支撑。原子钟技术的进步不仅催生了一批“秒”的次级表示推荐值，也为未来重新定义“秒”奠定了基础。

导读

中国计量科学研究院房芳团队综述了原子钟技术的研究现状，重点分析了铯原子喷泉钟及光钟的原理和不确定度构成，给出了秒定义变革的路线图及完成情况，最后对原子钟发展和应用做出了展望。

原子钟技术发展与“秒”定义变革

作者：陈伟亮^1，2，刘昆^1，2，戴少阳^1，2，郑发松^1，2，左娅妮^1，2，房芳^1，2*

作者单位：1.中国计量科学研究院；2.国家市场监管重点实验室（时间频率与重力计量基准）

摘要：介绍了用作频率标准的高性能冷原子钟的发展现状，阐述了喷泉钟与光钟的基本原理、性能指标、在计量和其他领域的应用及发展趋势，分析了原子钟技术发展对“秒”定义变革的影响，探讨了“秒”定义变革的路径和现状。指出可通过提升相干作用时间、降低原子温度、优化不确定度评估策略等方式提升原子钟性能，提出通过时空一体化测量、优化引力红移评估手段、建立高水平洲际远程比对链路等方式，进一步提升原子钟的不确定度水平及扩大应用范围。

关键词：原子钟；喷泉钟；光钟；不确定度；秒定义

文章主要内容

基准钟通常为被动型微波原子钟，其工作原理如图1所示。系统以本振源（晶振或者超稳微波源）产生的5、10、100 MHz等标准频率为基准，经分配放大器分为两路：一路直接输出；另一路通过频率综合器产生用于检测原子跃迁的钟频率，即通过倍频、分频、合频等方式得到特定频率数值，该频率信号作用于原子系综，诱导原子能级跃迁，随后利用跃迁几率作为误差信号反馈至本振源，最终实现本振源频率与原子跃迁频率的锁定。

图1　被动型原子钟工作原理

Fig.1 Operating principle of passive atomic clock

铯原子喷泉钟包括真空物理系统、激光光学系统、微波频率综合器和电子控制系统。真空物理系统为原子与光和微波作用提供场所，主要部件包含真空腔体、磁屏蔽装置、地磁补偿系统、微波腔等。激光光学系统负责提供用于俘获冷却原子的冷却光和重泵浦光以及用于激发原子荧光信号的探测光，并根据需要对这些光源进行变频变幅处理。微波频率综合器提供选态微波和激励微波，其中，激励微波需要使用低相位噪声的本地振荡器，通常采用氢钟或者锁相至氢钟的超稳晶振作为参考源。电子控制系统控制各部件按照喷泉钟的时序精确地使原子与光和微波发生作用。原子先后经历了冷却俘获、上抛和后冷却、选态制备、Ramsey腔微波鉴频、探测荧光信号5个过程后，计算机从探测到的原子荧光信号中提取频差信号，通过比例⁃积分（Proportional⁃Integral， PI）锁定方法将本地振荡器的频率锁定到原子的Ramsey谱线中央条纹的峰位上。

图4　铯原子喷泉钟运行原理

Fig.4 Operating principle of cesium fountain clock

光钟包括本振，即超稳激光（Ultra⁃Stable Laser， USL），量子参考系统（离子或中性原子）以及锁定系统，这与喷泉钟类似。离子光钟通常利用射频阱囚禁单个或少量离子，而中性原子光钟则利用光晶格囚禁10³ ~ 10⁴个原子。与喷泉钟原子做上抛下落运动不同，光钟原子在态探测过程中一直被囚禁在势阱内，其工作流程如下：首先，参考样品通过激光冷却至拉姆⁃迪克（Lamb⁃Dicke）区域，在该区域内探测光的波长远大于原子 / 离子约束区域；其次，样品被制备到钟态，当引入高稳钟激光诱发钟跃迁后，对原子态进行探测，并将跃迁几率作为误差信号锁定钟激光频率到钟跃迁上。

图7　光钟基本原理

Fig.7 Principle of optical clock

结论

原子钟技术，特别是冷原子钟技术在精密测量领域中的重要性已毋庸置疑，本文重点探讨了原子钟在时间频率计量领域中的发展和应用。自SI中“秒”的定义由天文秒转换为原子秒以来，原子钟技术取得了显著进步，特别是在激光冷却和囚禁技术应用之后，其稳定度、复现性和不确定度指标都有了明显提升。铯原子喷泉钟相比于热铯束钟的不确定度指标实现了量级突破，总不确定度已达到10^-16水平；而离子光钟和中性原子光钟的性能更优，其不确定度已进入10^-18 ~ 10^-19范围，超越了最好的铯喷泉钟。这些技术进步不仅催生了一批“秒”的次级表示推荐值，也为未来重新定义“秒”奠定了基础。然而，挑战依然存在，如光钟引力红移不确定度的评估、不同元素光钟之间的比对、不同实验室光钟之间的比对等，特别是洲际间光钟比对需要达到更高不确定度要求。除了在计量学、导航等方面的应用，超高稳定度与准确度的原子钟已成为探索基本物理常数时变性、验证新物理机制的强大实验工具。

作者简介

陈伟亮，研究员，北方交通大学理学院硕士研究生，2002年加入中国计量科学研究院。主要研究方向为量子频标及时间频率计量，长期从事冷原子喷泉钟及光纤标准频率信号传输研究工作，参与完成NIM4，NIM5和NIM6铯原子喷泉钟研制，主持完成工程化高可靠铷原子喷泉钟研制，建立计量院至北京地区相关研究单位之间光纤标准频率传输比对链路；任中国计量测试学会时间频率专业委员会委员；获国家科学技术进步奖一等奖一项（4/15），获国家市场监管总局科技兴检奖一等奖一项（3/10）。

房芳，二级研究员，1996年南开大学物理系毕业留校任教，2000年晋升副教授，2001-2007年美国宾州州立大学物理系博士研究生，2007年获物理学博士学位，2008-2010年美国洛斯阿拉莫斯国家实验室博士后，2010年入职中国计量科学研究院，现任计量院副院长/时频所所长。目前兼职国际时间频率咨询委员会中国代表，国际单位制咨询委员会专家，国际秒定义修改工作组专家/修改选项工作组共同组长，全国量子计算与测量标准化技术委员会委员，全国时间频率计量技术委员会主任委员，中国计量测试学会时间频率专业委员会主任委员，工信部信息通信科学技术委员会委员，同济大学博士生导师等。获得国家科技进步奖一等奖（第1完成人），中国计量测试学会科技进步一等奖，质检总局科技兴检一等奖；并获得2020年科技部科技创新领军人才（万人计划），国务院特殊津贴专家，全国创新争先奖状，百千万人才工程及有突出贡献中青年专家等荣誉。

科研团队介绍

中国计量科学研究院喷泉钟-离子光钟

创新团队

团队负责人：房芳（研究员，副院长）

主要成员：陈伟亮（研究员）、曹士英（研究员），刘昆（副研究员），戴少阳（副研究员），郑发松（副研究员），左娅妮（副研究员）

研究方向：开展量子频标研究，包括铯原子喷泉钟，铷原子喷泉钟，下落式冷原子微波钟等微波频率基准研究以及镱离子光钟的研究。同时开展飞秒光梳、光生微波、光纤时间频率传递等频标相关技术的研究。负责建立并保持秒长国家基准，并向国际计量局报数，参与国际原子时驾驭。

研究成果：近五年来，承担了国家质量基础专项、万人计划、国家自然科学基金项目等多项科研项目，实现了秒长国家基准-NIM5铯原子喷泉钟的指标提升（6.8×10^-16）、NIM6铯原子喷泉钟研制（2.2×10^-16）、工程化高可靠性铷原子喷泉钟RbF1和RbF2的研制、Yb⁺光钟的频率锁定及初步评估。

全文链接

原子钟技术发展与“秒”定义变革（点击查看）

引用格式：陈伟亮，刘昆，戴少阳，等. 原子钟技术发展与“秒”定义变革［J］. 计测技术， 2025， 45（2）： 5-25.

Citation：CHEN W L，LIU K， DAI S Y， et al. Progress in atomic clocks and the redefinition of the "second"［J］. Metrology & Measurement Technology， 2025， 45（2）： 5-25.

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