刚才老师介绍了时频实验柜原子钟，请问它能达到多高的精度呢？又有哪些具体的用途呢？”前不久，中国空间站“天宫课堂”第四课开讲，一名中学生聆听航天员的太空授课后提出了自己的疑问。
“目前，我们空间站上的冷原子微波钟做到1亿年误差不超过1秒。与该冷原子钟在中国空间站同行的，还有我们拥有自主知识产权的光学原子钟。目前在地面上，我们的光学原子钟已经能够做到10亿年误差不超过1秒。”航天员桂海潮耐心细致地回答，这种超高精度的时间基准，既可以用于基础物理的研究，也可以提高太空卫星定位的精度。
原子钟是现代高科技产业中的一项重要技术，被广泛应用于卫星导航、通信、电力等领域。我国科学家经过多年的努力，研发出了高性能原子钟，并被送上中国空间站。这项技术的成功研制，不仅打破了国外技术垄断，也标志着我国把核心专利牢牢掌握在自己手中。
积极应对挑战
秋意染红叶，秋水映斜阳。北京怀柔雁栖湖畔，从南向北沿京加路缓缓行驶一段路之后，再向东转两个路口，便来到几栋“毫不起眼”的建筑前。
这里是中国科学院空天信息创新研究院（怀柔园区），也是国内空间光学原子钟（空间光钟）的生产基地之一。“光钟主要由光学谐振腔、激光源、光电探测器、控制电路和显示单元等部分组成。”该院副研究员胡小华指着一个零部件对记者说，一般的光钟体积较大，如今团队通过持续创新，不断挑战技术难题，使得这些零部件变得更小、功能变得更强。
“我们找遍全国，发现只有这里能满足光钟的生产需求。”中国科学院国家授时中心（下称国家授时中心）研究员、我国载人空间站高精度时频柜副主任设计师常宏对记者表示，光钟被认为是未来的基准原子钟，团队研发出空间光钟后，一度找不到合适的组装团队，而胡小华团队解决了空间光钟从图纸到产品的问题。
然而，从“0”到“1”的研发过程何其艰难。一手拿着一张张复杂的图纸，一手握着一个个精密的零部件，数位高级技术人员轮流上阵，经过无数个日夜硬是把这个精密的设备组装了起来。
科研就是在无数次失败中前行。有一次，设备已经组装完毕，奋斗了无数个日日夜夜的总装师李东以为这次会万无一失，但在检测中却发现一个零部件出现了问题。负责人召集大家开会，并对李东说：“这台设备得拆了重装一次。”当时已经答应最近回家陪伴女儿过生日的李东，再次爽约。他已经不记得这是近一年来的第几次爽约。“我女儿常说爸爸说话不算数！”回忆起当时的情景，李东的眼里泛着泪花。
2022年，他们仅仅依靠数十张复杂的图纸和数千个精密的零部件，把这个精密的设备组装起来，让我国不仅成功研发制造拥有自主知识产权的空间光钟系统，站在世界科技最前沿，还将该系统从原先500多公斤的“大家伙”，缩小一半以上的体积，重量减轻至200多公斤。
掌握核心专利
2022年10月31日，长征五号B遥四运载火箭托举梦天实验舱升空。此次与梦天实验舱一同送入太空的世界首个高性能光钟备受关注。在梦天实验舱中，光钟将助力我国建成世界上在轨运行的精度最高的空间时间频率系统。这一系统将为我国的卫星导航、通信、电力等领域提供更加精准的时间基准，进一步提高我国在该领域的技术水平和话语权。
常宏说，国家授时中心的锶原子光钟实验小组从2008年开始开展了对锶原子光钟的研究。这里的科研人员每天特殊着装，在实验室里摆弄这些“看不见摸不着”的原子。围绕光学原子钟应用于空间导航等发展需求，国家授时中心开展锶冷原子光晶格钟研制工作，研究探索原子钟的集成化、小型化、工程化并进行了专利布局。
“十五年磨一剑”，以国家授时中心常宏团队为代表的发明人在光学原子钟方面攻坚克难，并在相关领域已拥有国内外专利10多件，涉及光钟间歇运行驾驭微波钟产生高精度时间方法、面向空间光钟的双重可调光晶格装置等，特别是应用于空间站的锶原子光钟物理系统的技术同时获得我国、美国和欧盟的专利授权，这个系统也是我们空间光钟的核心技术之一。
创新为帆，征战星辰大海。国家授时中心光钟的研究团队创新成果频出：研制出世界先进水平的锶光钟，具备了独立开展光钟溯源国际原子时TAI能力；研制出世界首台空间光钟，是目前世界唯一成功研制出地面基准光钟、可移动光钟、空间光钟的科研机构，在时频领域产生了重要影响。
瞄准世界前沿
自1967年以来，基于铯原子超精细跃迁的原子钟一直被用于实现国际单位制（SI）中的秒。这些类型的时间参考标准也是许多依赖精确计时的日常技术支撑，如银行交易、电信和导航。现在存在的光学钟，原子或离子被激光“捕获”，其测量不确定性比最好的铯钟低两个数量级。
然而，到目前为止，还没有确定新的主要时间标准的“候选人”。高电荷离子中的光学跃迁有可能比现有技术精确一百万倍以上。这可能会带来一系列应用的转变——从改进的亚毫米精度卫星定位系统到新的基础物理测试。它们也可能在未来SI秒的重新定义中发挥作用，这也是科学家未来布局专利的热点领域。
目前，为确保我国时间基准在国际时间单位变更时的安全可靠，继续开展光钟作为基准钟驾驭国际原子时的研究工作，常宏建立了国家授时中心新一代基准原子钟——光钟研究团队，带领队伍将研究深入到国际最前沿，瞄准并研制出世界先进水平的锶原子光钟，其绝对频率测量数据已被国际采用，使国家授时中心具备了基准光钟独立溯源国际原子时TAI的能力。
光钟作为最新一代基准钟，国际时间频率咨询委员会计划在2030年通过光钟取代目前冷原子微波钟，更新和复现新的时间单位。（记者：陈景秋）
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