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世界首台太空运行“冷原子钟”验证成功,3000万年误差小于1秒
特斯拉 2018-07-31
导语

“这是一项惊人的技术成就”;“是空间冷原子实验研究的一个重要里程碑”;

在轨运行近两年,完成全部既定在轨测试任务,成功验证了在空间环境下高性能冷原子钟的运行机制与特性,同时实现了天稳7.2×10-16的超高精度,即精度达到3000万年误差小于1秒,将目前人类在太空的时间计量精度提高1-2个数量级,是基于冷原子的空间量子传感器领域发展的一个重要里程碑。

这是搭载天宫二号实现太空运行的世界首台冷原子钟于近日交出的“答卷”,并于7月24日作为亮点文章(Highlighting)在线发表在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上。

论文发表页截图

冷原子钟

科普一下,所谓“原子钟”,是人类目前最精准的计时工具,通过测量原子特性的方式来计时,计时精度较普通石英钟表高5个数量级以上;而“冷原子钟”更是原子钟中的精度翘楚,这类高精度时钟把原子某两个能级之间的跃迁信号作为参考频率输出信号,利用激光,冷原子钟能把原子温度降至绝对零度附近,将原子能级跃迁频率受到的外界干扰减至更小,从而实现更高精度。

空间冷原子钟外形

“空间冷原子钟”,顾名思义,就是在空间轨道环境下运行的冷原子钟。到了太空的微重力环境,高精度原子钟的运行更有一番重要意义,它不仅可以对基本物理原理开展验证实验,也可发展更高精度的导航定位系统。但是,在太空稳定运行一台精密的空间冷原子钟,是非常困难的。要知道,空间环境错综复杂,存在地球辐射带等诸多干扰,长期自主运行空间冷原子钟是一项极具挑战性的任务。

因此,在过去20多年里,尽管有无数人为此而努力,但成功者寥寥。

令人振奋的是,中国,第一次成功完成了空间冷原子钟的在轨实验,并实现全部预定科学目标。

空间冷原子钟太空运行概览图

2016年9月25日,天宫二号空间实验室成功发射并顺利进入运行轨道。14项体现国际科学前沿和高技术发展方向的空间科学与应用任务搭载这一平台同步展开,其中就包括世界首台太空运行的冷原子钟。

这台冷原子钟,由中科院上海光学精密机械研究所在量子频标以及冷原子物理等研究积累的基础上,经过十余年的时间攻关完成。它成功突破了微重力环境下运行的冷原子钟物理系统、长期自主运行的冷原子制备与操控激光光学系统、铷原子钟超低噪声微波频率源等一系列关键技术,才最终实现了首次空间在轨稳定运行。

空间冷原子钟功能结构与工作原理图

这是基于冷原子的空间量子传感器领域发展的一个重要里程碑,为空间超高精度时间频率基准的重大需求以及未来空间基础物理前沿研究奠定了坚实的科学与技术基础。

在基础物理研究方面,对推进基本物理常数测量、广义相对论验证等精密测物理的发展具有重要意义。在应用方面,受益最大的应该是导航定位系统。它的应用,将会提升导航的自主运行能力,提高导航定位精度。此外,空间冷原子钟相关技术还可应用于空间量子传感器等多个领域。

这一成果也得到国际同行一致点赞,他们认为,“这是一项惊人的技术成就”;“是空间冷原子实验研究的一个重要里程碑”;“利用该项技术使原子钟等相关应用的水平得到很大提高,正是由于中国的重要贡献,完成了世界上第一个这样的实验……”;“随着实验的成功,中国在天基冷原子传感器的研究走在了世界的最前沿”。

参考文献:

Liang Liu, et al, "In-orbit operation of an atomic clock based on laser-cooled87Rb atoms,"Nature Communications, volume 9, Article number: 2760(2018)

(本文来源:知领微信公众号;)

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  • 空间冷原子钟
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作者 特斯拉

副研究员

中科院

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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