三千万年误差小于1秒“高冷”原子钟怎样炼成

　　“在过去二十年有很多人努力要把冷原子钟送到空间，中国第一次展示了空间冷原子钟实验，这是一项惊人的技术成就。”

　　“在太空中进行冷原子实验是当前最有吸引力的前沿方向，由于中国的重要贡献，世界上第一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走在了世界的最前沿。”

　　天宫二号空间实验室中在轨运行近两年的世界首台空间冷原子钟宣布实现了预定的科学目标。7月24日在线发表的《自然—通讯》杂志以亮点文章形式在线发表了这一成果。多位国际同行专家对此成果作出上述高度评价。

　　2016年9月25日，天宫二号空间实验室成功发射并顺利进入运行轨道，由中国研发的世界首台太空运行的冷原子钟也终于上天。

　　冷原子钟是把原子某两个能级之间的跃迁信号作为参考频率输出信号的高精度时钟，同时利用激光使原子温度降至绝对零度附近，使原子能级跃迁频率受到更小的外界干扰，从而实现更高的精度。

　　在微重力环境下运行高精度原子钟的意义，可能更加重要。“空间冷原子钟的应用潜力很大。”中国科学院上海光学精密机械研究所研究员刘亮说，“基础研究方面，测量广义相对论、暗物质、引力波等，都可能用到冷原子钟；它还可以跟‘北斗’卫星上的原子钟同步，让我们的导航系统更稳定，导航精度更高。”

　　2007年，在空间冷原子钟分系统首席科学家、中科院院士王育竹的指导下，刘亮所领导的空间冷原子钟团队成立，开启了跨越两代人、长达十余年的攻关。

　　上天的项目，不论是原理、样机，还是初样，正样，都有着严格的时间节点，更何况，他们要做的，是要将一台3000万年误差不到1秒的精密仪器，放到复杂的空间环境里稳定运行。

　　“要么在实验室，要么在出差的路上。”刘亮这样形容原子钟的研制过程。实际上，直到正样交付之后，刘亮才规定团队成员，以后加班时间不能再超过晚上11点。

　　在载人航天工程总体领导下、在中科院空间应用工程与技术中心的统一组织下，天宫二号空间冷原子钟载荷分系统——中科院上海光机所科研团队终于突破了微重力环境下运行的冷原子钟物理系统、长期自主运行的冷原子制备与操控激光光学系统、铷原子钟超低噪声微波频率源等一系列关键技术。

　　科研人员在空间微重力环境下利用激光把铷原子温度降低到接近绝对零度，利用激光和高精度微波场对制备的冷原子进行操纵和探测，提取出铷原子高稳定的能级跃迁频率作为高精度原子钟信号，在国际上首次实现了冷原子钟的在轨稳定运行。

　　在轨近两年时间里，冷原子钟运行正常、状态良好、性能稳定，完成了全部既定在轨测试任务，成功验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制与特性。

　　中国的空间冷原子钟还实现了3000万年误差小于1秒的超高精度，将目前人类在太空的时间计量精度提高1~2个数量级，是基于冷原子的空间量子传感器领域发展的一个重要里程碑，为空间超高精度时间频率基准的重大需求以及未来空间基础物理前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

　　除空间冷原子钟外，中科院牵头负责的载人航天工程空间应用系统在天宫二号上开展了14项空间科学与应用任务，涵盖了微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文探测、空间环境监测、对地观测及地球科学研究应用以及应用新技术试验等八大领域。

　　相关论文信息：DOI: 10.1038/s41467-018-05219-z