2 月 7 日消息，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的科研团队成功研制出第二代液氮低温钙离子光钟，其系统不确定度达到 4.4×10-19，这一精度相当于连续运行约 720 亿年误差不超过 1 秒，是目前全球已公布不确定度指标最高的光钟。相关成果已于 2 月 3 日发表于《物理评论快报》。
光钟利用原子或离子的稳定能级跃迁作为频率参考，是人类现有技术中最精确的时间计量装置，其不确定度水平直接影响时间频率基准的准确性。
在光钟体系中，钙离子因能级结构简单且存在“魔幻囚禁频率”优势，理论上可抑制微运动频移，但实际应用需克服黑体辐射频移和离子热运动控制等挑战。
其中，黑体辐射频移对环境温度高度敏感，室温环境下成为制约性能的主要瓶颈。研究团队创新采用液氮低温技术，将离子运行环境温度降至约 80 开尔文，使黑体辐射强度降低约 200 倍，从本质上减少频移影响。
通过精密热控制系统设计，包括优化机械结构、热连接方案和温度监测，离子微环境温度被精确控制在 79.5±1.5 开尔文，黑体辐射频移不确定度降至 3.5×10-19。同时，团队实现三维边带冷却技术，将离子冷却至接近运动基态，并结合低温环境抑制电场噪声，使二阶多普勒频移不确定度降至 4×10-20。磁场控制方面，通过精确测量二阶塞曼系数和优化磁场，相关不确定度控制在 5×10-20。此外，团队采用多种技术协同抑制其他误差，如利用“魔幻囚禁频率”消除微运动效应、Hyper Ramsey 光谱技术降低激光频移、交替探测抵消电四极频移，以及量子散射理论评估背景气体碰撞影响。
经综合评估所有已知误差项，该光钟总系统不确定度确定为 4.4×10-19。这一成果验证了液氮低温技术路线的可行性，为光钟发展提供了新方向。
在基础研究领域，更高精度光钟可提升物理定律检验灵敏度；计量应用上，为重新定义国际单位制“秒”提供支撑；工程层面，则有望应用于重力测量、精密导航定位等国家需求领域。
研究由博士后张宝林和博士生马子晓担任共同第一作者，研究员黄垚、管桦、高克林为共同通讯作者，并获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、国家自然科学基金及中国科学院等资助。
附论文链接:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/vngc-c1xv
