精密测量院在可搬运光钟及其守时应用研究中取得重要进展

近日，精密测量院黄学人研究团队在可搬运光钟及其守时应用研究中取得重要进展。团队研制成一台小型化可搬运钙离子光钟，并同北京卫星导航中心联合开展光钟驾驭氢钟守时应用的研究，实现氢钟频率月稳定度2个量级以上的提升，充分展现出光钟作为高精度基准钟在独立自主守时应用中的优越性。相关研究成果近期发表在国际计量局（BIPM）主办的计量学领域著名期刊《计量学》（Metrologia）上。

近年来，光钟系统频移不确定度及稳定度达到了E-18～E-19量级，有望取代铯喷泉钟成为下一代国际秒定义（SI）的实现方式。高精度光钟在基本物理规律检验、时间计量和大地测量等领域有着广泛的应用前景。以时间计量为例，国际原子时（TAI）作为一种精度在E-16量级的时间尺度，已成为各个国家时间计量机构的溯源参考依据，它是通过全球约500台微波原子钟加权平均得到的，而其中约90%的贡献来自于主动氢钟。主动氢钟拥有优异的可靠性和天稳定度，但其工作机制决定了它存在不可避免的长期频率漂移，导致长期稳定度显著恶化。因此，如何抑制该频率漂移，让其变得“又准又稳”，成为时间计量领域多年以来的重要工作和核心难题之一。利用高精度光钟驾驭氢钟等微波钟进行守时被国际时频界认为是下一代守时体系的核心技术，所实现的高精度“光时标”有望解决上述难题，实现守时体系的代际提升。但是，由于光钟系统极其复杂等现实问题，国际上光钟领域的研究总体上还处于实验室的基础研究和原理演示阶段，难以提供高精度、高可靠性的光钟用于长期守时服务。

针对上述问题，精密测量院离子光频标团队长期从事小型化可搬运光钟的研制，以满足国家高精度时频体系建设的重大需求。团队在2017年公开报道了全球首台基于单离子的可搬运光钟原理样机，引起了国际同行的广泛关注和高度评价。经过多年研究，团队系统性地提出了一整套可搬运光钟模块化和集成化解决方案，实现了一系列核心部件的国产化，同时在光钟频移物理效应的深度抑制和精密测量方面实现了多项技术创新，获得国家发明专利十余项。2023年，团队研制出全新一代小型化、集成化的可搬运光钟，其系统频移不确定度达到1E-17，天稳定度达到3E-17，该成果入选《中国科学院自主研制科学仪器》名录，为可搬运光钟的广泛应用奠定了良好的基础。

在本项目研究中，该可搬运光钟经过1200公里的快递运输后抵达目的地，在一天时间内即完成安装调试并顺利开机运行。在接下来为期半年的光钟驾驭氢钟守时研究中，得益于该光钟的高精度指标及93.6%/半年的超高运行率，团队人员实现对主动氢钟噪声模型的精准构建，并由此优化设计驾驭策略及驾驭算法，最终实现对主动氢钟频率漂移的精准扣除。研究结果显示，经过光钟驾驭后的氢钟频率月稳定度从3E-15提升到4E-17，改善高达2个量级，这意味着由此产生的光时标的精度有望达到每月100 ps的超高水平。同时，研究人员还以协调世界时（UTC，即TAI加上闰秒修正）为参考对驾驭所产生的光时标进行了评价，结果显示其月稳定度已达到UTC自身所处的1E-16极限水平，显著优于同期国际上利用铯喷泉钟驾驭氢钟守时的众多守时机构所产生的时标。

该小型化可搬运光钟具有出色的可靠性，驾驭所产生的光时标性能优异，对推动高精度光时标的广泛实际应用具有重要意义。对此，审稿人给予了“The transportable optical clock has impressive uptime and the demonstrated stability of the optically-steered timescale shows a significant improvement. The experimental work shows encouraging results in terms of future optically-steered timescales.”的高度评价。

小型化可搬运光钟及其驾驭氢钟产生光时标的结果

该研究成果近日以 Local time scale upgrade with a transportable optical clock”ocal time scale upg》（Metrologia）上。精密测量院博士后袁易、袁金波，高级工程师曹健为共同第一作者，精密测量院高级工程师曹健、研究员黄学人以及北京卫星导航中心高级工程师李国俊为共同通讯作者。该研究工作同时得到了精密测量院频标技术中心陈群峰研究团队的大力帮助。

小型化可搬运光钟的研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等机构长期以来的大力支持。

论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/ae46a4