三千万年误差小于1秒 “高冷”原子钟怎样炼成

天宫二号空间冷原子钟的功能结构和工作原理。空间科学和绘图应用研究中心

■我们的记者丁佳

“在过去的20年里，许多人努力尝试将冷原子钟送入太空。中国首次展示了太空冷原子钟实验。这是一项惊人的技术成就。”

“空间冷原子实验是目前最有吸引力的前沿领域。由于中国的重要贡献，世界首次完成了这样的实验。”

“随着实验的成功，中国在天基冷原子传感器的研究方面走在了世界的前列。”

已经在轨道上运行了近两年的世界上第一个空间冷原子钟——天宫二号空间实验室宣布，它已经实现了预定的科学目标。7月24日发表在网上的《自然-传播》杂志将结果作为一篇重点文章发表在网上。一些国际同行专家对这一成就给予了上述高度评价。

2016年9月25日，天宫二号航天实验室成功发射并进入轨道，中国研制的世界上第一个冷原子钟终于发射升空。

冷原子钟是一种高精度时钟，它将两个原子级之间的转换信号作为参考频率输出信号。同时，利用激光将原子温度降低到接近绝对零度，使原子级跃迁频率受到较少的外部干扰，从而达到较高的精度。

在微重力环境中操作高精度原子钟的重要性可能更为重要。"空间冷原子钟具有巨大的应用潜力."中国科学院上海光学精密机械研究所的研究员刘亮说:“在基础研究中，冷原子钟可以用来测量广义相对论、暗物质、引力波等。它还能与北斗卫星上的原子钟同步，使我们的导航系统更加稳定和准确。”

2007年，在中国科学院院士、空间冷原子钟系统首席科学家王玉柱的带领下，成立了以刘亮为首的空间冷原子钟团队，启动了一个跨越两代人、十多年的研究项目。

无论是原理、原型、初始样本还是正常样本，天体工程都有严格的时间节点。更重要的是，他们要做的是把一个误差小于1秒的3000万年精密仪器放入复杂的空间环境中稳定运行。

“无论是在实验室还是在商业道路上。”刘亮这样描述了原子钟的发展过程。事实上，刘亮并没有规定团队成员在正常分娩后加班时间不得超过晚上11点。

在载人航天工程的总体领导下，在中国科学院空间应用工程技术中心、天宫二号空间冷原子钟加载子系统的统一组织下，中国科学院上海光机所科研团队终于突破了微重力环境下冷原子钟物理系统、长期自主冷原子制备与操纵激光光学系统、铷原子钟超低噪声微波频率源等一系列关键技术。

研究人员在空间微重力环境下利用激光将铷原子的温度降至接近绝对零度，并利用激光和高精度微波场对制备好的冷原子进行操纵和探测，提取铷原子的高稳定能级跃迁频率作为高精度原子钟信号，从而在世界上首次实现冷原子钟在轨稳定运行。

在过去的两年里，冷原子钟一直运行正常，状况良好，性能稳定。它完成了所有预定的在轨测试任务，并成功验证了高性能冷原子钟在空间环境中的运行机制和特性。

中国的空间冷原子钟也实现了超高精度，误差在3000万年内不到1秒，将目前人类在空间的时间测量精度提高了2个数量级。它是基于冷原子的空间量子传感器发展的一个重要里程碑，为空间超高精度时频基准的重大需求和未来空间基础物理前沿研究奠定了坚实的科技基础。

除空间冷原子钟外，中国科学院领导的载人航天工程空间应用系统在天宫二号完成了14项空间科学与应用任务，涵盖微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探索、空间环境监测、地球观测与地球科学研究应用、新技术实验应用等8个主要领域。

相关文件信息:DOI:10.1038/s 1467-018-05219-z

中国科学新闻(2018-07-26，第一版集锦)

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