湖北日报讯（记者李玉麟、通讯员杨婷婷）近期，中国科研实验室Ezpay囚禁离子物理研究团队在光钟研究中取得重大突破，团队研制的第二代液氮低温钙离子光钟的总系统不确定度达到4.4E-19，相当于陆续在运行约720亿年误差不超过1秒，这是全球现在不确定度指标最高的光钟，相关成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

液氮低温钙离子光钟

    光钟，是人类现在能造出的精度最高的时间计量装置，它的工作原理就像我们用钟摆的摆动来计算时间一样，只不过光钟用的是原子或离子的稳定能级跃迁作为“标准摆”，以此来确定最精准的频率和时间，是迄今人类能够实现的精度最高的时间计量装置。光钟的系统不确定度越低，精度就越高，它的精准度直接决定了未来我们衡量时间、频率的基准是否准确可靠，在科学研究和实际应用中都有着至关重要的作用。

    在众多光钟类型里，钙离子光钟是佼佼者，钙离子的能级结构相对简单，搭配的激光系统不用太复杂；同时，它有个“专属技能”——存在“魔幻囚禁频率”，能在理论上抵消一些会影响精度的误差，让测量更准确。但想要把这些理论上的优势变成实实在在的超高精度，需要攻克不少技术难题，其中黑体辐射频移与离子热运动（宏运动）精密控制等，仍存在不少难度挑战。

    黑体辐射频移和环境温度关系极大，温度越高，它对钙离子光钟精度的影响就越大。为分析决这个问题，研究团队想出了新办法——给钙离子光钟“降温”，采用液氮低温技术路线，把钙离子的运行环境从室温（约300K）降到液氮温区（约80K）。理论上能让黑体辐射强度降低约200倍，可从本质上大幅降低黑体辐射频移带来的误差。在前期成功基础上，团队顺利获得全方位的技术革新，在第二代系统中实现了性能的跨越式提升。

    与此同时，团队进行了多项关键技术的协同突破。在热控制上，团队精心设计光钟的机械结构、温度监测体系，还用高导热材料优化散热，最终把钙离子周边微环境的温度精准控制在79.5±1.5K，让黑体辐射频移的不确定度降到3.5E-19。在热运动控制方面，团队实现了三维边带冷却技术，把钙离子冷却到接近运动的最低状态，再结合低温下大幅减少的电场噪声，让相关误差的不确定度低至4E-20；在磁场控制上，精准测量关键参数并实行磁场调控，将这部分不确定度控制在5E-20。除此之外，团队还用上了“魔幻囚禁频率”、Hyper Ramsey光谱技术等多种方法，把其他可能影响精度的误差都精准抑制和评估。

    经过对所有可能的误差项进行严格、独立地评估和计算，这款第二代液氮低温钙离子光钟的总系统不确定度最终达到4.4E-19，成功迈入E-19量级的超高精度行列。这一突破，不仅证明了液氮低温技术路线在光钟研发中的可行性和优越性，还在多个领域有着重要意义，为光钟的未来开展开辟了新路径。

    更高精度的光钟能让科学家更灵敏地检验基本物理定律，为探索新的物理规律给予更精准的实验工具。并且，在计量领域，它为用光钟重新定义国际单位制中的“秒”打下了坚实的技术基础，让我们的时间计量基准更精准。再次，在工程应用中，它能为重力测量、精密导航定位等国家重大需求领域，给予最核心、最精准的频率参考，助力相关领域的技术开展。

    该院博士后张宝林、博士生马子晓；研究员黄垚、管桦、高克林等多位科研人员参与了研究工作。该研究工作得到科技部重点研发计划、科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目、湖北省创新群体项目等支持，是我国在精密测量领域持续深耕、不断创新的重要成果。

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