我国研发出不确定度达4.4E-19的钙离子光钟，720亿年误差不超过1秒
据中国科学院消息，我国科研团队成功研制出当前不确定度指标最高的光钟——第二代液氮低温钙离子光钟。该光钟系统不确定度达到4.4E-19，相当于连续运行720亿年误差不超过1秒。研究成果已发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
光钟是一种基于原子或离子稳定能级跃迁作为频率参考的时间计量装置，其精度为当前各类计时装置之最。系统不确定度作为衡量光钟性能的核心指标，决定了未来时间频率基准的准确度与可靠性。
实现4.4E-19量级的系统不确定度，不仅满足新一代时间定义的需求，还将在基本物理常数测量、物理定律验证等领域发挥关键作用，同时为探索超越标准模型的新物理现象提供更灵敏的实验平台。
钙离子光钟具备多项独特优势，例如能级结构简单、所需激光系统精简，且存在“魔幻囚禁频率”，即在特定射频频率下，微运动引起的二阶多普勒频移与斯塔克频移可相互抵消，有助于显著抑制相关频移。
然而，将这些理论优势转化为实际性能仍面临诸多挑战，尤其是黑体辐射频移和离子热运动控制等问题。在室温条件下，黑体辐射频移对温度高度敏感，长期限制了钙离子光钟的进一步发展。
为破解这一难题，研究团队引入液氮低温技术，将离子运行环境温度降至约80K。相比常温（约300K），该技术理论上可使黑体辐射频移降低约200倍，从而显著提升光钟精度。
在技术实施过程中，团队在结构设计、热传导优化、温度监测等方面进行了系统创新。通过采用高导热材料、优化热平衡路径，并构建热学复刻装置进行原位比对测量，最终将离子微环境温度控制在79.5±1.5K，将黑体辐射频移不确定度降至3.5E-19。
在热运动控制方面，研究团队实现了三维边带冷却技术，使离子接近运动基态，同时利用低温环境抑制电场噪声（加热率低于1.3声子/秒），将二阶多普勒频移不确定度降低至4E-20。
此外，在磁场控制中，通过高精度光钟频率比对，团队精确测量了二阶塞曼系数，并结合高精度磁场调控手段，将相关不确定度控制在5E-20。
研究还结合多项技术手段，对微运动效应、激光频移、AOM啁啾频移、电四极频移等系统误差进行了有效抑制与评估。例如，采用“魔幻囚禁频率”技术、Hyper Ramsey光谱方法、多对塞曼跃迁交替探测、背景气体碰撞量子散射理论分析等。
在完成对所有误差项的独立评估与合成后，第二代液氮低温钙离子光钟的总系统不确定度最终达到4.4E-19，验证了液氮低温技术路线的可行性与优越性。
这一成果标志着钙离子光钟的不确定度指标正式进入E-19量级。在基础研究方面，更高精度的光钟将提升对基本物理规律的探测能力，为新物理现象的探索提供更精确的工具。
在计量应用中，该成果为国际单位制“秒”的重新定义提供了坚实支撑。在工程应用上，则为下一代高精度重力测量、导航与定位系统等国家重大需求提供了关键频率基准。
该研究题为“Liquid-nitrogen-cooled 40Ca⁺ ion optical clock with a systematic uncertainty of 4.4×10-19”，发表于《物理评论快报》。
研究团队包括精密测量科学与技术创新研究院博士后张宝林、博士生马子晓作为共同第一作者，研究员黄垚、管桦、高克林担任共同通讯作者，研究员唐丽艳、史庭云及副研究员韩惠丽也参与了研究。
该项目获得了科技部重点研发计划、科技创新2030“量子通信与量子计算机”重大项目、国家自然科学基金委重点项目与创新群体项目、中国科学院青年团队基础研究支持计划以及湖北省创新群体项目的资助。