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來源：互聯網

原子鐘（英文：atomic clock）是獲取時間頻率信號的設備。它通過測量某些元素中穩定的原子能級之間的躍遷頻率來作為時間間隔基準。原子鐘的計時精度非常穩定，2020年底美國科學家利用量子糾纏現象新設計出一種原子鐘，運行約140億年的時間精度可保持在1/10秒之內。其研發涉及到量子物理學、電學、結構力學等眾多學科。原子鐘分為傳統型原子鐘和新一代原子鐘。傳統原子鐘包括銣原子鐘、氫原子鐘和銫原子鐘。新一代原子鐘包括冷原子鐘、CPT原子鐘和光鐘。原子鐘精確的原因可以分為兩點：一是周期運動的穩定性，原子鐘之外的周期運動都很容易受到外界因素的影響；二是周期運動的頻率高，原子鐘在1秒內可以發生的周期運動都是數以億計的，遠遠超過其他計時器的周期運動。

20世紀30年代，依靠原子計時器在制造時鐘方面取得了實質性進展。1945年，拉比提出將磁共振技術運用到鐘計量中，從此拉開了原子鐘研究的序幕。1949年，世界上第一臺原子鐘研制成功。1955年，第一臺束原子鐘研制成功，開創了實用型原子鐘的新紀元。1967年，在第十三屆國際計量大會上，銫原子鐘被用來進行“秒”定義。到20世紀末，科學家們通過使用激光冷卻和原子俘獲及更精密的激光光譜等技術，大幅提高了原子鐘的精確度。進入21世紀，新一代原子鐘實現了芯片級躍升，在穩定性和精密性方面得到極大優化，并進入商業化推廣階段。2016年，中國第一臺空間冷原子鐘問世，它是世界上第一臺在軌進行科學實驗的空間冷原子鐘。

伴隨著原子鐘研制精度的不斷提高，截至2023年基于中性原子的光晶格鐘，其穩定度已經推進到10-19量級，不確定度也已達到小系數10-18量級。原子鐘作為一種高穩定高精度的時間頻率計量設備，其已被廣泛運用于科研、航天、國防、授時、導航等領域。

歷史沿革

起步階段

20世紀30年代，美國哥倫比亞大學實驗室的伊西多·拉比（Isidor Isaac Rabi）和他的學生們在研究原子及其原子核的基本性質，依靠原子計時器在制造時鐘方面取得了實質性進展。在拉比設想的時鐘里，處于某一特定的超精細態的一束原子穿過一個振動電磁場，場的振動頻率與原子超精細躍遷頻率越接近，原子從電磁場吸收的能量就會越多，并因此而經歷從原先的超精細態到另一態的躍遷。通過時鐘里的反饋回路來調節振動場的頻率，直到所有原子均能發生躍遷。原子鐘就是利用振動場的頻率作為節拍器來產生時間脈沖，目前，振動場頻率與原子共振頻率已達到完全同步的水平。在其研究過程中，拉比發明了一種被稱為磁共振的技術，依靠這項技術，他便能夠測量出原子的自然共振頻率。為此他還獲得了1944年諾貝爾物理學獎。1945年，拉比提出將磁共振技術運用到鐘計量中，從此拉開了原子鐘研究的序幕。

快速發展階段

第二次世界大戰后，美國國家標準技術研究院（National Institute of Standards and Technology，簡寫為NIST）的前身美國國家標準局（National Bureau of Standards，簡寫為NBS）和英國國家物理實驗室都宣布，要以原子共振研究為基礎來確定原子時間的標準。1945年，美國科學家拉比首次提出利用銫原子基態的超精細結構躍遷作為參考基準的原子鐘方案。1949年，美國國家標準局的里昂以氨分子23.8GHz的反演躍遷為參考，研制出世界上第一臺原子鐘（NBS-1）。同年，拉比的學生美國物理學家諾曼·拉姆齊（Norman Foster Ramsey）提出，使原子兩次穿過振動電磁場，其結果可使時鐘更加精確。1989年，拉姆齊因此而獲得了諾貝爾物理學獎。

1953年，美國哥倫比亞大學的唐斯（Townes）和中國學者王天眷等人利用受激輻射放大原理的啟發研制成功激射型氨分子鐘。1954年，NBS-1被轉移到位于科羅拉多州博爾德的NIST新實驗室。1955年，路易斯·埃森（Louis Essen）和帕里（J. V. L. Parry）在英國皇家物理實驗室用銫唯一的穩定同位素銫（）原子，成功研制出第一臺銫束原子鐘，開創了實用型原子鐘的新紀元。1956年，商用銫鐘問世，每只售價2萬美元。1957年，普林斯頓大學的卡弗（T. Cover）用氣體觀測到銣（）精細諧振，通過觀測微波吸收來檢測微波躍遷。此后不久，NIST的本德（P. Bender）等人研究了一種光抽運（）的新技術，這就是目前銣原子鐘通常使用的方法。1960年，美國的丹尼爾·克萊普納（Daniel Kleppner）和他的導師諾曼·拉姆齊等人一起發明了一種囚禁氫原子使共振譜線變窄技術，從而發明了氫原子鐘。精確的氫鐘推動了全球導航定位系統GPS的發展。同年，西奧多·梅曼（Theodore H. Maiman）首次在實驗上實現了一種相干光源-激光的穩定輸出，此后，激光器也被運用于原子鐘的研究之中。

1967年，在第十三屆國際計量大會上，銫原子鐘被用來進行“秒”定義，1秒即為無干擾的銫（）原子基態兩個超精細結構子能級之間微波頻率躍遷周期的9192631770倍，也就是我們通常所說的國際原子時。從此開啟了原子“秒”的時間計量標準時代，直到現在的“秒”定義仍由銫原子噴泉鐘保持。1968年，世界上最穩定的銫鐘NBS-4建成。這種時鐘作為NIST時間系統的一部分一直使用到20世紀90年代。

優化升級階段

到20世紀末，科學家們對原子鐘的使用條件進行嚴格規定，并通過使用激光冷卻和原子俘獲及更精密的激光光譜等技術，大幅提高了原子鐘的精確度。進入21世紀，科學家們不但在原子鐘的準確度方面追求極致，還在原子鐘的微型化和節能化方面狠下功夫。這使新一代原子鐘實現了芯片級躍升，能耗也大大降低，從而在穩定性和精密性方面得到極大優化，并進入商業化推廣階段。2016年，中國第一臺空間冷原子鐘問世，它是世界上第一臺在軌進行科學實驗的空間冷原子鐘。

2024年1月13日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員梅剛華團隊研制出新款銣原子鐘，測得秒級頻率穩定度為，百秒級頻率穩定度為。截至2024年1月，該數據是國際上最高的銣原子鐘短期穩定度指標。相關成果已發表于國際期刊《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》。

原理

人們知道時鐘是靠某種周期運動的恒定性來做時間標準的，如擺的振動周期、電子表中石英晶體的震蕩周期等。但是這些運動周期容易受外界影響而不大穩定。最穩定的是原子中電子圍繞原子核所做的周期運動，這些運動隨著原子鐘電子結構的差別有各種不同的形式和相差很大的周期。在微觀物理上，原子中不同的電子運動有不同的能量，它們屬不同的原子“能態”。原子可以在外加電磁波的作用下從一種能態轉變到另一種能態，這時會發射或吸收相應頻率（或周期，它們互為倒數）的電磁波。若一個能態的能量為，另一個能態的能量為，則原子從態“躍遷”到態時所吸收或發射的電磁波頻率為，為馬克斯·普朗克常量。當< ，就發生吸收；反之，則為發射。由于原子能態非常確定，這個頻率也是十分確定的。根據原子的電子狀態不同，原子吸收或發射電磁波的頻率（原子頻率）差別很大，有的處在無線電（射頻）波段，有的達到光波段。原子鐘就是利用原子吸收或發射的這些穩定周期的電磁波來作為時間標準的。

原子頻率一般比常用（如導航、通信、雷達）的電磁波頻率高，而且不是整數，因此原子鐘實際上還是用通常的電子振蕩器的振蕩信號作為標準頻率（時間）信號。該頻率嚴格受原子運動控制，從而使鐘的走時穩定性取決于原子頻率。具體控制過程如下圖所示，受控電子振蕩器發出的電磁振蕩信號經過頻率變換電路使它的頻率變得接近原子頻率。原子接到這種信號時就會做出響應，發射或吸收相應頻率的電磁波，這個電磁波就稱為“共振信號”。當原子接到電磁波信號的頻率與其自身頻率完全相同時，共振信號最強，偏離時則減弱，這個共振范圍叫“線寬”。根據共振信號的大小及其距離峰值的位置可以判斷外來信號頻率是否與原子頻率相符及其偏離的程度。這樣，當電子振蕩器信號頻率由于某種原因而偏離共振峰值時，人們就會發現共振信號的減弱，并藉以調節振蕩器頻率使之回復到原因頻率上，從而達到輸出信號頻率的穩定。

工作步驟

微波波段的原子頻標工作包括三個步驟：原子能態的制備，原子的相干激勵和觀測原子躍遷凈效應的信號檢測。在光頻標中，由于能級原子數分布服從路德維希·玻爾茲曼規律，高能級基本沒有原子，一般不需制備原子態，原子頻標工作主要依賴后兩個步驟。

原子能態的制備

改變原子在兩能級的相對數目稱為“態制備”，目的是通過某種方法把原子制備到合適的能態，以便觀察到躍遷的凈效應。制備原子態的方法有兩種：一是磁選態，二是光抽運。銫和氫原子鐘用的是磁選態方法，銣原子鐘用的是光抽運方法。。

磁選態：利用不同能態的原子帶著不同的磁矩，就好像方向不同的磁針，在磁場中會有不同的偏向。這樣，在原子束中不同能態的原子就走著互相不同的軌道，人們可以選取一種軌道的原子而丟棄另一種軌道上的原子。

光抽運：利用兩種不同能態的原子對特殊頻率和偏振光的吸收概率的不同來制備原子態。若態原子比態原子更能吸收光，則原子吸收光后就會被激發到一種“激發態”，然后原子會快速返回“基態”，即、態。原來的和兩種狀態都屬于基態，而返回到這兩種基態的概率往往是相等的。經過這樣一個循環，原屬于態的原子有可能遷移到態，由于光對該態的作用小，原子就會長期呆在該態。這樣，人們就可以把幾乎所有原子制備到該態。

信號檢測

信號檢測有三種方法，分別是原子檢測、光檢測和微波檢測。

原子檢測：經過選態器的原子在微波腔里收到激勵信號的作用產生躍遷后，再次穿過一個同樣的選態器，則原子在空間上仍將按其能態的不同分成兩束。設置在適當位置的原子檢測器只能收到其中的一束，這相當于只能檢測到處于某一能態的原子。于是，檢測器接受到的原子數在躍遷激發前后的變化，就顯示原子的能級躍遷概率的大小。當探詢信號頻率等于原子諧振頻率時，躍遷概率大。相應檢測到的原子數變化最大；否則躍遷概率減少，相應原子數變化量減小。這樣檢測器上的信號變化正反應原子微波諧振。

光檢測：原子頻標中產生“鐘”躍遷凈效應的光檢測有兩種方法，一種是線性吸收-透射光檢測法，另一種是熒光檢測法。

微波檢測：在微波原子頻標中，微波檢測與微波信號和原子的相互作用同時進行。當饋入諧振腔中的信號頻率與原子諧振頻率相等時，原子將或者增加信號的能量（當腔中原子處于高能態時），或者減小信號的能量（腔中原子處于低能態時）。檢測微波腔中微波信號電平的變化，就相當于檢測原子的微波諧振。當進入腔中的原子為高能態原子，而且數量足夠多的，以至這種受激輻射的能量足以抵消諧振腔的損耗時，腔中將發生自持振蕩。

類型

原子鐘分為傳統型原子鐘和新一代原子鐘。人們通常把原子鐘發明以來獲得廣泛應用、結構日臻完善的原子鐘歸類為傳統型原子鐘，其原子樣品工作溫度均在室溫（300K）以上，它們是銣原子鐘、氫原子鐘和銫原子鐘。而冷原子鐘、CPT原子鐘和光鐘被稱為新一代原子鐘。

傳統型原子鐘

銣原子鐘：銣原子頻標是用銣同位素原子超精細結構能級躍遷微波吸收譜線作為頻率基準，對晶振的頻率進行自動控制，從而得到高穩定度的標準頻率和時間信號的儀器，即銣原子鐘，簡稱“銣鐘”。從結構上考慮，銣頻標包括物理部分和電路部分。物理部分是利用銣原子給出一個特別精準的信號（標準譜線），電路部分是利用晶振、輔助電路把物理部分給出的精準信號轉變成可以應用的頻率信號。由裝有氣態的譜燈發出名為a、b線的兩種頻率的光。a、b線經過后，a線會被濾掉，剩下b線。b線作為抽運光照射裝有氣態的吸收泡，瞬間，透過吸收泡到達光檢測器的光的強度會保持穩定。這時我們利用晶振、電路給出一個在工作頻率附近掃描的微波頻率，并加到吸收泡上。微波頻率越接近的工作頻率，則抽運光被吸收的程度就越大，那么透射到光檢測器上的光就越弱。于是，隨著微波信號的掃描，在光檢測器上就可以看到微波共振曲線。這條曲線蘊含了原子能級的高度穩定性特點。人們再進行電路上的操作，利用這個曲線將輸出頻率鎖定，即可得到傳統原子頻標了。

氫原子鐘：氫原子鐘是以氫原子為物理基礎建立的一套極度精密的電子設備，簡稱氫鐘。作為一種精密的計時器具，氫鐘的精度可以達到數百萬年甚至1千萬年僅有1秒誤差。氫原子鐘利用氫原子基態超精細能級躍遷信號進行精確計時，具有中短期頻率穩定度優異、頻率漂移率低的特點。

銫原子鐘：銫原子鐘又被稱作“噴泉鐘”，因為其工作過程是銫原子像噴泉一樣的“升降”，這一運動使得頻率的計算更加精確。銫原子噴泉鐘的精確度大約為，這意味著在1億年時間里，其誤差不超過1秒。銫原子噴泉鐘屬于微波鐘，它采用的是原子躍遷吸收微波波段的頻率。

冷原子鐘

冷原子鐘是把原子某兩個能級之間的躍遷信號作為參考頻率輸出信號的高精度時鐘，同時利用激光使原子溫度降至絕對零度附近，使原子能級躍遷頻率受到更小的外界干擾，從而實現更高的精度。已研制成功的冷原子噴泉，所用工作元素有銫（）和銣（）兩種。冷原子鐘可以應用在基礎研究方面，例如測量廣義相對論、暗物質、引力波等；它還可以跟‘北斗’衛星上的原子鐘同步，讓導航系統更穩定，導航精度更高。

噴泉原子鐘：利用激光冷卻技術把室溫下自由運動的熱原子囚禁到激光勢阱中并冷卻到接近絕對零度，然后把冷卻后的原子自由上拋讓原子在上拋與下落的過程中與微波腔中的射頻時鐘信號相互作用，從而檢測時鐘信號與原子兩個特定能級間頻率差，進而修正時鐘信號誤差。由于受到重力的作用，自由運動的冷原子團始終處于變速狀態，宏觀上只能做類似噴泉的運動或者是拋物線運動，這使得基于原子量子態精密測量的原子鐘在時間和空間兩個維度受到一定的限制。

空間冷原子鐘：是在地面噴泉原子鐘的基礎上發展而來。在空間微重力環境下，原子團可以做超慢速勻速直線運動，基于對這種運動的精細測量可以獲得較地面上更加精密的原子譜線信息，從而可以獲得更高精度的原子鐘信號。空間冷原子鐘的成功將為空間高精度時頻系統、空間冷原子物理、空間冷原子干涉儀、空間冷原子陀螺儀等各種量子敏感器奠定技術基礎，并且在全球衛星導航定位系統、深空探測、廣義相對論驗證、引力波測量、地球重力場測量、基本物理常數測量等一系列重大技術和科學發展方面做出重要貢獻。

CPT原子鐘

CPT原子鐘是基于相干布居囚禁CPT（Coherent?Population?Trapping）理論實現的新概念原子鐘。基于CPT效應可實現兩種新型原子鐘，分別為：CPT maser原子鐘和被動型CPT原子鐘。CPT原子鐘具有體積小，功耗低以及結構簡單等優勢，在衛星導航定位、信息通信、時間同步等相關領域具有廣泛的應用前景。

光鐘

以原子的光學波段共振頻率作為時間頻率基準的原子鐘自然就稱為光鐘（例如原子光晶格鐘）。原子鐘在測量時間頻率時，它的“尺子”就是原子共振時發出的波長，波長越短意味著“尺子”的刻度越精細，測量也就越精確。光鐘的工作頻段比微波鐘的工作頻段高4到5個數量級，因此光鐘可以達到比微波鐘更高的精度。

鍶原子光晶格鐘是以鍶原子的躍遷頻率作為時間計量標準，并可以把時間測量的準確度提高到35億年不差一秒。

原子鐘穩定性研究

所有的原子鐘都有某種程度的不穩定性，導致時鐘的時間與實際時間的偏移。銫原子鐘長期穩定性好，但短期波動性較大，而氫原子鐘短期穩定性好，長期則有頻率漂移。科研人員利用測試數據，從時差數據、頻差數據、頻率漂移率和頻率穩定度等方面，分別對中國產和其他國家產守時型氫原子鐘、銫原子鐘的長期性能進行了評估和對比分析。分析結果表明：中國產氫原子鐘和銫原子鐘已經具備長期穩定運行的能力，可以基本滿足中國工業部門在時間頻率領域對原子鐘的需求。中國產銫原子鐘的性能與其他國家銫原子鐘基本相當，但在長期性能方面還有一定差距，中國產氫原子鐘與其他國家最好的氫原子鐘相比，性能上還略有差距。

應用領域

原子鐘作為一種高穩定高精度的時間頻率計量設備，其已被廣泛運用于科研、航天、國防、授時、導航等領域。

科研

“甚長基線干涉測量”是一種射電天文學測量方法，它允許用多個射電望遠鏡同時觀測一個天體，從而模擬一個大小相當于望遠鏡間最大間隔距離的巨型望遠鏡。甚長基線干涉測量技術（VLBI）具有很高的測量精度，可進行射電源的精確定位，是大地測量學和探索宇宙的技術。目前限制該技術靈敏度的主要因素是地面天線的參考時鐘頻率相對不穩定，理論上使用光纖將同一個時鐘信號發送到多個射電望遠鏡可解決該問題。因此，意大利科學家使用量子光纖骨干網（全長1739公里），將原子鐘發射的激光信號發送到意最大的兩臺射電望遠鏡，提供了超精確的頻率參考，兩臺射電望遠鏡彼此同步并實現了天體物理學組合觀測，觀測結果為高分辨率的天文觀測開辟了新的視角。

將氫鐘和脈沖星的時間結合，能夠得到精準且長時間穩定的時間系統。脈沖星是自轉并具有準直的輻射束的中子星。脈沖星具有穩定的旋轉周期，有一些每萬億年才會慢1秒，具有長期的穩定性，也就是說脈沖星“時鐘”要過萬億年才需要往前調1秒。而且，脈沖星“鐘表”永不斷電且不受干擾，只要幾架大型射電望遠鏡便可接收到它們的信號，從而得到精準且穩定的時間系統。

國防

隨著現代戰爭的發展，精準的時間系統成為網絡作戰的關鍵，一旦時間被打亂，整個指揮系統、武器系統將面臨癱瘓。目前中國國防領域正在構建標準的時間體系，各兵種、武器都將納入其中，原子鐘將對時間頻率的同步精度發揮重要作用。作為導航設備的重要部件，芯片原子鐘可作為戰術導彈、衛星接收機、小型無人機等所用導航設備的時鐘源，也可與陀螺儀和加速度計組合實現微型定位、導航與授時。

航天

“夢天”實驗艙是中國空間站中承擔精密物理實驗任務的實驗艙。我們知道，越精密的物理實驗，對時間精度的要求就越高。為此，“夢天”實驗艙搭載了世界上第一套空間冷原子鐘組，這也是太空中最精準的時間頻率系統，其精準度可達到約50億年誤差1秒。

原子鐘一般運用在對時間精確度要求比較高的系統上。比如衛星導航系統，它主要利用測量時間來測距，最后達到導航定位的目的。時間測量，則主要依賴于衛星和地面站放置的原子鐘。原子鐘如同衛星導航系統的“心臟”，其精準與否直接影響衛星定位、測速和授時精度。衛星上常用的銣原子鐘，可做到幾十萬年只差一秒。即使如此之高的時間精度，也會讓衛星導航系統產生數米的定位誤差。據測算，目前精度最高的原子鐘——光鐘，運行300億年誤差只有一秒。如果技術條件允許，將光鐘放到衛星上用于導航，即使你去火星“旅游”，拿著手機導航，定位誤差也不會超過1米。

授時服務

除了定位導航外，原子鐘還被應用到全世界的時間保持和授時服務上。比如，人們所熟知的北京時間，就是全世界150多臺原子鐘共同守時并加權平均后的結果。各種物理學常數的測定，還有電力系統、通信系統，也都離不開高精度的原子鐘。否則，電網調節時間出現偏差，可能會導致電機故障；各地交通體系時間有差異，可能會造成交通事故。如今，電信公司以數據包的形式來傳輸語音，這使他們能在同一時間通過電話線傳輸大量語音。當你給另一個城市的人打電話時，你的語音會被分解并在兩端計算機之間傳輸。一個對話與另一個對話之間會來回往復，每秒鐘可達數千次。然而，要實現這一切，兩臺計算機必須保持完美同步，不然通話就會變得很混亂，聽起來像是胡言亂語。這就是現在電信公司都配有原子鐘的原因——計算機之間時刻保持完全同步。在金融領域，原子鐘是保證金融網絡時間一致性的核心設備之一，如果股票操作產生時間差，可能有人借機進行違規交易。

參考資料 >

原子鐘.術語在線.2024-03-17

研究方向.北京大學.2024-03-17

太空冷原子鐘：它能讓世界更“準時”.中國日報.2024-04-20

氫原子的光譜與能級.中國科學院量子信息實驗室.2023-11-23

“時間魔盒”原子鐘.中國科學院.2024-03-16

光鐘的發展和應用（上）.中國物理學會期刊網.2024-03-30

氫銣原子鐘，導航更精準.中國科學院.2024-03-28

初中化學粒子常考知識點匯總，跟著新東方在線掌握核心內容.中國日報中文網.2023-11-23

精準！新型原子鐘140億年內誤差不超1/10秒.央視新聞.2024-04-20

140億年內誤差不超過1/10秒原子鐘讓計時精度走向極限.中國新聞網.2024-04-20

人類計時器的“天花板”，數十億年只誤差1秒!揭秘太空中最精準的鐘.河北省科學技術廳.2024-03-17