天宮二號冷原子鐘：突破人類太空計時精度

人民網北京7月26日電（趙竹青）記者從中國科學院空間應用工程與技術中心獲悉，我國天宮二號上搭載的世界首臺太空運行的冷原子鐘已經實現預定科學目標，將目前人類在太空的時間計量精度提高1-2個數量級。該成果作為亮點文章于24日在線發(fā)表在國際重要學術期刊《自然·通訊》上。

2016年9月25日，天宮二號空間實驗室成功發(fā)射并順利進入運行軌道。在軌近兩年時間里，其上搭載的冷原子鐘運行正常、狀態(tài)良好、性能穩(wěn)定，完成了全部既定在軌測試任務，成功驗證了在空間環(huán)境下高性能冷原子鐘的運行機制與特性。

同時，它實現了天穩(wěn)7.2×10-16的超高精度——3000萬年誤差小于1秒，將目前人類在太空的時間計量精度提高1-2個數量級。這是基于冷原子的空間量子傳感器領域發(fā)展的一個重要里程碑。

所謂冷原子鐘，就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，從而實現更高精度。

在微重力環(huán)境下運行高精度原子鐘則具有更重要意義，不僅可以對基本物理原理開展驗證實驗，也可發(fā)展更高精度的導航定位系統(tǒng)。但在存在地球輻射帶干擾以及復雜的空間環(huán)境下，穩(wěn)定運行一臺精密的空間冷原子鐘具有極大挑戰(zhàn)。

天宮二號空間冷原子鐘載荷分系統(tǒng)單位——中國科學院上海光機所研究團隊經過十余年的攻關，突破了微重力環(huán)境下運行的冷原子鐘物理系統(tǒng)、長期自主運行的冷原子制備與操控激光光學系統(tǒng)、銣原子鐘超低噪聲微波頻率源等一系列關鍵技術，最終在國際上首次實現了冷原子鐘的在軌穩(wěn)定運行。

據介紹，這種能在空間環(huán)境下可靠運行的高精度原子鐘應用于導航定位系統(tǒng)將會提升系統(tǒng)自主運行能力、提高導航定位精度。在基礎物理研究方面，對推進基本物理常數測量、廣義相對論驗證等精密測物理的發(fā)展具有重要意義。此外，空間冷原子鐘相關技術還將會應用于在空間量子傳感器等多個領域。

這一成果也獲得了國際同行的高度評價。比如：“在過去二十年有很多人努力要把冷原子鐘送到空間，但是由中國第一次展示了空間的冷原子鐘的實驗……這是一項驚人的技術成就”；“該工作是空間冷原子實驗研究的一個重要的里程碑”；“隨著實驗的成功，中國在天基冷原子傳感器的研究走在了世界的最前沿”等等。