天宮二號冷原子鐘實現預定科學目標：精度達3000萬年誤差小於1秒

據《科技日報》25日報道，世界首台太空運行的冷原子鐘已在軌近兩年時間。記者從中科院獲悉，這台3000萬年誤差小於1秒的冷原子鐘運行正常，將目前人類在太空的時間計量精度提高了1—2個數量級。

相關成果作為亮點文章於7月24日在線發表在《自然·通訊》上。

7月24日，論文發佈在《自然·通訊》上。

冷原子鐘是利用激光使原子温度降至絕對零度附近，使原子能級躍遷頻率更少受到外界干擾，從而實現更高精度。在微重力環境下運行高精度原子鐘具有更重要的意義，既可對基本物理原理開展驗證實驗，也可發展更高精度的導航定位系統。

空間冷原子鐘外形 圖源：中國科學院

　空間冷原子鐘模擬動畫

2016年9月25日，天宮二號空間實驗室成功發射並順利進入運行軌道。中科院牽頭負責的載人航天工程空間應用系統在天宮二號上開展了14項空間科學與應用任務，其中包括世界首台太空運行的冷原子鐘。

2016年9月25日，天宮二號空間實驗室成功發射。（圖源：新華網）

在軌22個月，冷原子鐘運行正常、狀態良好、性能穩定，完成了全部既定在軌測試任務，成功驗證了在空間環境下高性能冷原子鐘的運行機制與特性，同時實現了天穩定度7.2×10-16的超高精度。

中科院上海光機所經過十餘年的攻關，突破了微重力環境下運行的冷原子鐘物理系統等一系列關鍵技術。在空間微重力環境下利用激光把銣原子温度降低到接近絕對零度，利用激光和高精度微波場對製備的冷原子進行操縱和探測，提取出銣原子高穩定的能級躍遷頻率作為高精度原子鐘信號，在國際上首次實現冷原子鐘的在軌穩定運行。

空間冷原子鐘功能結構與工作原理圖 圖源：中國科學院

此次，中科院光學精密機械研究所研究員劉亮及其同事，報告了冷原子鐘穩定在軌運行的證據。他們在微重力環境下囚禁並冷卻銣原子，使用微波和激光脈衝探測它們。團隊在微波與原子相互作用後檢測原子在能級上的布居數，發現在軌時鐘的穩定性為十萬億分之三。

空間冷原子鐘太空運行概覽圖 圖源：中國科學院

報告稱，高性能冷原子鐘完成全部在軌測試任務，成功驗證了在微重力環境下的特性與機制，實現了天穩定度7.2×10-16的超高精度。而目前應用的都是熱原子鐘，最高天穩定度在10-15量級。

據瞭解，這種能在空間環境下可靠運行的高精度原子鐘應用於導航定位系統將會提高導航定位精度，相關技術還將應用於空間量子傳感器等多個領域。

德國杜塞爾多夫大學原子物理學家斯蒂芬·席勒等國際同行高度評價了這一成果，指出“隨着實驗的成功，中國在天基冷原子傳感器的研究走在了世界的最前沿”。

《自然·通訊》雜誌的審稿人稱，

“在過去20年有很多人努力要把冷原子鐘送到太空，但是由中國第一次展示了太空的冷原子鐘實驗……這是一項驚人的技術成就”。