時間將重新被定義，光學原子鐘時代即將來臨

我們衡量時間的方式，可能很快就要發生改變。

目前，全球通用的協調世界時（UTC）是由分布在全球近 85 個實驗室的大約 450 臺原子鐘共同計算得出的。這套體系運行穩定，但它所依賴的秒的定義，正面臨一次潛在的更新。

來自澳大利亞阿德萊德大學的研究人員，聯合美國國家標準與技術研究院和英國國家物理實驗室，對下一代時間計量技術的未來進行了系統回顧。

他們的結論是，光學原子鐘已經發展到足以挑戰現有秒定義的階段。

這項綜述論文已發表在光學領域權威期刊《Optica》上。

光學原子鐘正接近成為新標準

研究團隊指出，光學原子鐘的技術進步速度極快。如果若干關鍵技術問題能夠解決，它們在未來幾年內有望成為全球時間計量的新“黃金標準”。

阿德萊德大學光子學與先進傳感研究所的 Andre Luiten 教授表示，過去十年里，光學原子鐘的性能提升非常顯著。

它們的精度已經超過了目前最先進的微波原子鐘，并且開始具備走出實驗室環境的能力，而這恰恰是傳統原子鐘難以做到的。

光學原子鐘是如何工作的

光學原子鐘通常基于被激光冷卻并困在特定裝置中的原子或離子。

當科學家用激光反復探測這些原子時，原子只會在一個極其穩定、特定的光學頻率上發生響應。這個頻率可以被轉化為極其精確的“滴答”，從而用于計時。

正是這種對原子躍遷頻率的極端控制，使光學原子鐘成為目前人類制造過的最精密測量工具之一。

從實驗室研究走向國際時間體系

論文回顧了過去十年光學原子鐘在關鍵技術上的進展，同時也總結了當前面臨的挑戰以及潛在的應用前景。

Luiten 教授指出，十年前，光學原子鐘還完全沒有參與國際時間體系的運行。但到今天，已經有至少 10 臺光學原子鐘被正式批準，用于國際時間的校準和維護。

這標志著光學原子鐘已經不再只是實驗室中的研究設備，而是開始進入全球時間體系的實際運行層面。

不只是計時工具

研究人員同時指出，光學原子鐘的用途并不局限于計時。

由于其極高的精度和靈敏度，光學原子鐘可以作為重力傳感器使用，有望幫助建立一個不依賴海平面的國際高度參考系統。此外，它們還可能被用于測試基礎物理問題，例如暗物質相關效應。

在應用層面，光學原子鐘還有潛力在衛星系統因太陽風暴或人為攻擊而中斷時，維持關鍵系統的高精度時間基準。

這一點已經引起了商業領域的高度關注，包括阿德萊德大學孵化企業 QuantX Labs 在內的多家公司，正在積極布局相關技術。

仍然存在的關鍵挑戰

盡管發展迅速，這項綜述也明確指出，光學原子鐘距離全面接管時間體系仍面臨多項挑戰。

其中之一是運行穩定性問題，目前許多光學原子鐘仍只能間歇性工作。此外，關于如何重新定義“秒”，國際上仍需作出關鍵決策，例如是選用單一類型的光學原子鐘，還是采用多種光學鐘共同作為新標準。這些方案都需要通過直接比較來驗證其可靠性。

另一個現實問題是關鍵部件的供應鏈尚不成熟，導致系統成本居高不下。不過研究人員認為，量子計算和生物科學領域的相關技術進展，可能會在未來推動光學原子鐘變得更加廉價和易于獲取。

時間計量正處在一個轉折點

論文第一作者、美國國家標準與技術研究院的 Tara Fortier 表示，光學原子鐘的性能幾乎以每十年提升百倍的速度進步，這得益于原子物理和激光科學的持續突破。

她指出，通過系統展示光學原子鐘的性能、潛在角色以及未來挑戰，研究團隊希望吸引更廣泛的科學與工程群體，參與到這一“自然界最精確計時器”的進一步發展中。

值得注意的是，NIST 正是為美國提供官方時間，并參與制定全球時間尺度的核心機構之一。這也意味著，關于秒的定義是否需要更新，已經不再只是實驗室里的設想，而是進入了國際計量體系的討論層面。

論文信息

Tara M. Fortier 等
《Optical atomic clocks: defining the future of time and frequency metrology》
期刊：《Optica》
發表時間：2026
DOI：10.1364/optica.575770