天宮二號空間冷原子鐘將太空時(shí)間精度提高1-2個(gè)數(shù)量級

中國科學(xué)院25日發(fā)布消息說，由該院牽頭負(fù)責(zé)的中國載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)在天宮二號上開展了十四項(xiàng)體現(xiàn)國際科學(xué)前沿和高技術(shù)發(fā)展方向的空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)，其中，世界首臺太空運(yùn)行的冷原子鐘在軌近兩年時(shí)間里，運(yùn)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(wù)，成功驗(yàn)證了在空間環(huán)境下高性能冷原子鐘的運(yùn)行機(jī)制與特性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了天穩(wěn)7.2×10-16的超高精度，將目前人類在太空的時(shí)間計(jì)量精度提高1-2個(gè)數(shù)量級，是基于冷原子的空間量子傳感器領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，為空間超高精度時(shí)間頻率基準(zhǔn)的重大需求以及未來空間基礎(chǔ)物理前沿研究奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

空間冷原子鐘太空運(yùn)行。中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心、中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所供圖

天宮二號冷原子鐘這一重要科研成果已于24日作為亮點(diǎn)文章(Highlighting)在線發(fā)表在國際重要學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)上。

冷原子鐘是把原子某兩個(gè)能級之間的躍遷信號作為參考頻率輸出信號的高精度時(shí)鐘，同時(shí)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(shí)現(xiàn)更高精度。在微重力環(huán)境下運(yùn)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(yàn)證實(shí)驗(yàn)，也可發(fā)展更高精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。

天宮二號空間冷原子鐘功能結(jié)構(gòu)與工作原理。中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心、中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所供圖

但在存在地球輻射帶干擾以及復(fù)雜的空間環(huán)境下，穩(wěn)定運(yùn)行一臺精密的空間冷原子鐘具有極大挑戰(zhàn)。在載人航天工程總體領(lǐng)導(dǎo)下，在中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心統(tǒng)一組織下，天宮二號空間冷原子鐘載荷分系統(tǒng)—中國科學(xué)院上海光機(jī)所在量子頻標(biāo)以及冷原子物理等研究積累的基礎(chǔ)上，經(jīng)過十余年的攻關(guān)，突破了微重力環(huán)境下運(yùn)行的冷原子鐘物理系統(tǒng)、長期自主運(yùn)行的冷原子制備與操控激光光學(xué)系統(tǒng)、銣原子鐘超低噪聲微波頻率源等一系列關(guān)鍵技術(shù)。在空間微重力環(huán)境下利用激光把銣原子溫度降低到接近絕對零度，利用激光和高精度微波場對制備的冷原子進(jìn)行操縱和探測，提取出銣原子高穩(wěn)定的能級躍遷頻率作為高精度原子鐘信號，在國際上首次實(shí)現(xiàn)冷原子鐘的在軌穩(wěn)定運(yùn)行。

這種能在空間環(huán)境下可靠運(yùn)行的高精度原子鐘應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)將會(huì)提升系統(tǒng)自主運(yùn)行能力、提高導(dǎo)航定位精度。在基礎(chǔ)物理研究方面，對推進(jìn)基本物理常數(shù)測量、廣義相對論驗(yàn)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(guān)技術(shù)還將會(huì)應(yīng)用于在空間量子傳感器等多個(gè)領(lǐng)域。

天宮二號空間冷原子鐘。中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心、中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所供圖

國際同行高度評價(jià)了這一成果，指出“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(shí)驗(yàn)……這是一項(xiàng)驚人的技術(shù)成就”“該工作是空間冷原子實(shí)驗(yàn)研究的一個(gè)重要的里程碑”“在太空中進(jìn)行冷原子實(shí)驗(yàn)是當(dāng)前最有吸引力的前沿方向，利用該項(xiàng)技術(shù)使原子鐘等相關(guān)應(yīng)用的水平得到很大提高，正是由于中國的重要貢獻(xiàn)，完成了世界上第一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)……”“隨著實(shí)驗(yàn)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”。

2016年9月25日，天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室成功發(fā)射并順利進(jìn)入運(yùn)行軌道。