精度达3000万年误差小于1秒，天宫二号冷原子钟如何做到的

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冷原子钟是利用激光使原子温度降至绝对零度附近，使原子能级跃迁频率更少受到外界干扰，从而实现更高精度。在微重力环境下运行高精度原子钟具有更重要的意义，既可对基本物理原理开展验证实验，也可发展更高精度的导航定位系统。

世界首台太空运行的冷原子钟已在轨近两年时间，这台3000万年误差小于1秒的冷原子钟运行正常，将目前人类在太空的时间计量精度提高了1—2个数量级。相关成果作为亮点文章于7月24日在线发表在《自然·通讯》上。

7月24日，论文发布在《自然·通讯》上。

冷原子钟是利用激光使原子温度降至绝对零度附近，使原子能级跃迁频率更少受到外界干扰，从而实现更高精度。在微重力环境下运行高精度原子钟具有更重要的意义，既可对基本物理原理开展验证实验，也可发展更高精度的导航定位系统。

空间冷原子钟外形 图源：中国科学院

　空间冷原子钟模拟动画

2016年9月25日，天宫二号空间实验室成功发射并顺利进入运行轨道。中科院牵头负责的载人航天工程空间应用系统在天宫二号上开展了14项空间科学与应用任务，其中包括世界首台太空运行的冷原子钟。

2016年9月25日，天宫二号空间实验室成功发射。（图源：新华网）

在轨22个月，冷原子钟运行正常、状态良好、性能稳定，完成了全部既定在轨测试任务，成功验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制与特性，同时实现了天稳定度7.2×10-16的超高精度。中科院上海光机所经过十余年的攻关，突破了微重力环境下运行的冷原子钟物理系统等一系列关键技术。在空间微重力环境下利用激光把铷原子温度降低到接近绝对零度，利用激光和高精度微波场对制备的冷原子进行操纵和探测，提取出铷原子高稳定的能级跃迁频率作为高精度原子钟信号，在国际上首次实现冷原子钟的在轨稳定运行。

空间冷原子钟功能结构与工作原理图 图源：中国科学院

此次，中科院光学精密机械研究所研究员刘亮及其同事，报告了冷原子钟稳定在轨运行的证据。他们在微重力环境下囚禁并冷却铷原子，使用微波和激光脉冲探测它们。团队在微波与原子相互作用后检测原子在能级上的布居数，发现在轨时钟的稳定性为十万亿分之三。

空间冷原子钟太空运行概览图 图源：中国科学院

报告称，高性能冷原子钟完成全部在轨测试任务，成功验证了在微重力环境下的特性与机制，实现了天稳定度7.2×10-16的超高精度。而目前应用的都是热原子钟，最高天稳定度在10-15量级。据了解，这种能在空间环境下可靠运行的高精度原子钟应用于导航定位系统将会提高导航定位精度，相关技术还将应用于空间量子传感器等多个领域。
德国杜塞尔多夫大学原子物理学家斯蒂芬·席勒等国际同行高度评价了这一成果，指出“随着实验的成功，中国在天基冷原子传感器的研究走在了世界的最前沿”。《自然·通讯》杂志的审稿人称，
“在过去20年有很多人努力要把冷原子钟送到太空，但是由中国第一次展示了太空的冷原子钟实验……这是一项惊人的技术成就”。

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