2022年4月14號(hào)， 國(guó)際計(jì)量局網(wǎng)站更新了次級(jí)秒定義的候選光頻標(biāo)， 鈣離子光頻標(biāo)首次入選。早在2021年3月19日，國(guó)際計(jì)量局時(shí)間頻率咨詢(xún)委員會(huì)第四次采納了精密測(cè)量院高克林研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鈣離子光頻標(biāo)的測(cè)量結(jié)果，并推薦鈣離子光頻標(biāo)測(cè)量結(jié)果新增為次級(jí)秒定義。

時(shí)間與人類(lèi)活動(dòng)息息相關(guān)，是國(guó)際單位制七個(gè)基本物理量中測(cè)量精度最高(測(cè)量有效位數(shù)最多)的物理量，許多其它物理量的測(cè)量都可以轉(zhuǎn)換為對(duì)時(shí)間的測(cè)量，以提高測(cè)量精度。秒是時(shí)間的基本單位。1955年，世界第一臺(tái)銫原子鐘誕生。人們意識(shí)到通過(guò)準(zhǔn)確的研究和控制外界環(huán)境影響，基于微觀量子躍遷的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)不易受到外界的干擾，是秒定義的穩(wěn)定參考源。1961年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)提議采用銫原子基態(tài)躍遷作為秒定義的候選，1967年，國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)了基于銫原子躍遷的新的秒定義，即：秒是銫133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷對(duì)應(yīng)輻射的 9192631770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間。隨著光頻標(biāo)的快速發(fā)展，其精度已遠(yuǎn)超越銫原子鐘的精度，采用光頻標(biāo)測(cè)量的原子躍遷頻率作為新的國(guó)際秒定義成為趨勢(shì)。在2017年6月8-9日召開(kāi)的第21屆國(guó)際計(jì)量局國(guó)際時(shí)間頻率咨詢(xún)委員會(huì)會(huì)議提出了國(guó)際秒定義修改路線(xiàn)圖，提出的三種方案分別是：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(quán)平均、以及更基本的物理常數(shù)。光頻標(biāo)成為秒定義候選需滿(mǎn)足2個(gè)必要條件：1.光頻標(biāo)的光頻測(cè)量值的精度與現(xiàn)有秒定義相當(dāng)，并被CCTF認(rèn)定為次級(jí)秒定義標(biāo)準(zhǔn)。2.進(jìn)入次級(jí)秒定義的光頻標(biāo)的不確定度及穩(wěn)定度應(yīng)達(dá)10^-18量級(jí)；光頻標(biāo)間比率測(cè)量精度應(yīng)在10^-18量級(jí)。

在理想條件下，原子/離子內(nèi)在能級(jí)躍遷頻率是自然界中最為穩(wěn)定的。但各種外場(chǎng)（如：電場(chǎng)、磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)等）均會(huì)影響到原子/離子的狀態(tài)，導(dǎo)致原子躍遷頻率發(fā)生變化。為此，要實(shí)現(xiàn)不確定度和穩(wěn)定度達(dá)到10^-18量級(jí)的光頻標(biāo)， 需要實(shí)現(xiàn)對(duì)原子/離子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的精確控制、抑制各種外場(chǎng)干擾，并進(jìn)行精準(zhǔn)地測(cè)量。同其它光頻標(biāo)體系相比，鈣離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)所需用到的激光均可由固體激光器產(chǎn)生，但對(duì)環(huán)境溫度和磁場(chǎng)非常敏感。

高克林研究團(tuán)隊(duì)從2000年開(kāi)始開(kāi)展鈣離子光頻標(biāo)的研究工作，長(zhǎng)期致力于發(fā)展高精度光頻標(biāo)，開(kāi)展高精度光頻測(cè)量，力爭(zhēng)進(jìn)入國(guó)際次級(jí)秒定義，不斷提升我國(guó)在國(guó)際時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的影響力。

研究團(tuán)隊(duì)2005年實(shí)現(xiàn)了單個(gè)鈣離子的囚禁和冷卻，2011年實(shí)現(xiàn)了中國(guó)首臺(tái)光頻標(biāo)。基于10^-16光頻標(biāo)系統(tǒng)開(kāi)展了鈣離子鐘躍遷光頻絕對(duì)頻率的精密測(cè)量：在沒(méi)有本地基準(zhǔn)鐘的條件下，采用基于GPS遠(yuǎn)程溯源的高精度光頻絕對(duì)值測(cè)量方案，首次用GPS載波相位觀測(cè)的精密單點(diǎn)定位解算進(jìn)行時(shí)間頻率傳遞，實(shí)現(xiàn)了10^-15量級(jí)精度的鈣離子光頻標(biāo)絕對(duì)頻率測(cè)量 [Phys. Rev. A 85, 030503(R) (2012)] ，其結(jié)果首次被CCTF采納（CCTF19-2012）。鈣離子光頻躍遷推薦值有了中國(guó)人的貢獻(xiàn)；2015年實(shí)現(xiàn)了精度到達(dá)10^-17量級(jí)的鈣離子光頻標(biāo)[Phys. Rev. Lett. 116, 013001 (2016)]?；?span lang="EN-US" style="font-size: 12pt; line-height: 150%">GPS遠(yuǎn)程溯源實(shí)現(xiàn)了鈣離子鐘躍遷光頻絕對(duì)頻率的精密測(cè)量：其結(jié)果連續(xù)兩次被CCTF采納（CCTF20-2015；CCTF21-2017），中國(guó)的測(cè)量結(jié)果的權(quán)重不斷增加，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(tuán)隊(duì)成功研制一臺(tái)可搬運(yùn)鈣離子光鐘，運(yùn)行率高于75%，系統(tǒng)不確定度達(dá)10^-17量級(jí)。實(shí)現(xiàn)了千公里級(jí)的車(chē)載搬運(yùn)。精密測(cè)量院同中國(guó)計(jì)量院合作，基于可搬運(yùn)鈣離子光鐘，在計(jì)量院直接利用溯源至UTC的UTC(NIM)，經(jīng)GNSS遠(yuǎn)程傳遞與飛輪鐘遠(yuǎn)程比對(duì)，首次在國(guó)際上將鈣離子鐘躍遷絕對(duì)頻率的測(cè)量不確定度推進(jìn)至10^-16量級(jí) [Phys. Rev. A 102, 050802(R) (2020)]。

經(jīng)過(guò)研究團(tuán)隊(duì)的不懈努力，鈣離子光頻標(biāo)躍遷頻率入選國(guó)際計(jì)量局次級(jí)秒定義的候選光頻標(biāo)，這是中國(guó)第一次推動(dòng)一種新的原子躍遷頻率成為國(guó)際次級(jí)秒定義。該工作提升了我國(guó)在原子頻標(biāo)領(lǐng)域的國(guó)際影響力，也為我國(guó)在未來(lái)爭(zhēng)取世界時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)定義的話(huà)語(yǔ)權(quán)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

Report 1: Approved by the CCTF in March 2021

Reprot 2: RECOMMENDATION CCTF PSFS 2 (2021)

https://www.bipm.org/en/committees/cc/cctf/22-_2-2021