精密測量院鈣離子光頻標躍遷頻率進入國際次級秒定義

　　4月14日，國際計量局網站更新了次級秒定義的候選光頻標，鈣離子光頻標首次入選。2021年3月19日，國際計量局時間頻率咨詢委員會第四次采納了中國科學院精密測量科學與技術創新研究院高克林研究團隊研發的鈣離子光頻標的測量結果，并推薦鈣離子光頻標測量結果新增為次級秒定義。

　　時間與人類活動息息相關，是國際單位制七個基本物理量中測量精度最高（測量有效位數最多）的物理量，許多其他物理量的測量都可以轉換為對時間的測量，以提高測量精度。秒是時間的基本單位。1955年，世界第一臺銫原子鐘誕生。人們意識到通過準確的研究和控制外界環境影響，基于微觀量子躍遷的時間頻率標準不易受到外界的干擾，是秒定義的穩定參考源。1961年，國際計量委員會提議采用銫原子基態躍遷作為秒定義的候選，1967年，國際計量大會通過了基于銫原子躍遷的新的秒定義，即秒是銫133原子基態兩個超精細能級之間躍遷對應輻射的9192631770個周期所持續的時間。隨著光頻標的快速發展，其精度遠超越銫原子鐘的精度，采用光頻標測量的原子躍遷頻率作為新的國際秒定義成為趨勢。第21屆國際計量局國際時間頻率咨詢委員會會議（2017年6月8日至9日）提出了國際秒定義修改路線圖（三種方案：基于單種原子光頻躍遷頻率、多種原子光頻躍遷頻率的加權平均以及更基本的物理常數）。光頻標成為秒定義候選需滿足兩個必要條件：一是光頻標的光頻測量值的精度與現有秒定義相當，并被CCTF認定為次級秒定義標準。二是進入次級秒定義的光頻標的不確定度及穩定度應達10-18量級；光頻標間比率測量精度應在10-18量級。

　　在理想條件下，原子/離子內在能級躍遷頻率是自然界中最穩定的。各種外場（如電場、磁場和溫度場等）均會影響原子/離子的狀態，導致原子躍遷頻率發生變化。實現不確定度和穩定度達到10-18量級的光頻標，需要實現對原子/離子運動狀態的精確控制、抑制各種外場干擾，并進行精準地測量。同其他光頻標體系相比，鈣離子的能級結構相對簡單，實驗所需的激光均可由固體激光器產生，而對環境溫度和磁場非常敏感。

　　高克林研究團隊自2000年開展鈣離子光頻標的研究，致力于發展高精度光頻標，開展高精度光頻測量，力爭進入國際次級秒定義，提升我國在國際時間頻率標準領域的影響力。

　　科研團隊實現了單個鈣離子的囚禁和冷卻（2005年），實現了中國首臺光頻標（2011年）。研究基于10-16光頻標系統開展了鈣離子鐘躍遷光頻絕對頻率的精密測量：在沒有本地基準鐘的條件下，采用基于GPS遠程溯源的高精度光頻絕對值測量方案，首次用GPS載波相位觀測的精密單點定位解算進行時間頻率傳遞，實現了10-15量級精度的鈣離子光頻標絕對頻率測量【Phys. Rev. A 85, 030503(R) (2012)】，其結果首次被CCTF采納（CCTF19-2012）。鈣離子光頻躍遷推薦值有了中國人的貢獻；2015年，研究實現了精度到達10-17量級的鈣離子光頻標【Phys. Rev. Lett. 116, 013001 (2016)】。研究基于GPS遠程溯源實現了鈣離子鐘躍遷光頻絕對頻率的精密測量：其結果連續兩次被CCTF采納（CCTF20-2015、CCTF21-2017），中國的測量結果的權重逐漸增加，鈣離子光頻躍遷推薦值被不斷更新，精度也不斷提高。

　　2020年，研究團隊研制出一臺可搬運鈣離子光鐘，運行率高于75%，系統不確定度達10-17量級。實現了千公里級的車載搬運。精密測量院同中國計量院合作，基于可搬運鈣離子光鐘，在中國計量院直接利用溯源至UTC的UTC（NIM），經GNSS遠程傳遞與飛輪鐘遠程比對，首次在國際上將鈣離子鐘躍遷絕對頻率的測量不確定度推進至10-16量級【Phys. Rev. A 102, 050802(R) (2020)】。

　　經過努力，鈣離子光頻標躍遷頻率入選國際計量局次級秒定義的候選光頻標，這是中國迄今第一次推動一種新的原子躍遷頻率成為國際次級秒定義，提升了我國在原子頻標領域的國際影響力。