近日，北京大學(xué)電子學(xué)院陳景標(biāo)教授團(tuán)隊(duì)和成都天奧電子股份有限公司、浙江法拉第激光科技有限公司、中國計(jì)量科學(xué)研究院合作，成功實(shí)現(xiàn)了一種基于銫原子的雙波段光學(xué)-微波原子鐘，在量子精密測量領(lǐng)域取得重要突破。該工作創(chuàng)新利用銫原子作為量子參考，集成的高端科學(xué)儀器可同時(shí)輸出微波和光學(xué)跨波段頻率標(biāo)準(zhǔn)，其中，光頻原子鐘和微波原子鐘分別具有優(yōu)異的短期和長期頻率穩(wěn)定度，擴(kuò)展了基于銫原子的小型化高性能光頻原子鐘和實(shí)用化微波原子鐘的應(yīng)用范圍，為原子鐘在可搬運(yùn)、高性能提升方面的卡脖子攻關(guān)提供新方案。相關(guān)研究成果以“Dual-frequency optical-microwave atomic clocks based on cesium atoms”為題，于8月29日發(fā)表于美國光學(xué)學(xué)會(huì)旗下的《Photonics Research》雜志。

時(shí)間/頻率是目前能夠被測量的最準(zhǔn)確的物理量，原子鐘作為實(shí)現(xiàn)時(shí)頻測量的高端科學(xué)儀器，意義重大。比如，通過頻率比對進(jìn)行基礎(chǔ)物理研究、秒的現(xiàn)定義及重新定義、建立量子傳感網(wǎng)絡(luò)、時(shí)頻傳遞等，促進(jìn)了原子鐘技術(shù)和種類的飛速發(fā)展，從微波鐘到光鐘，甚至核鐘、脈沖星天文鐘，原子鐘類型不斷迭代。即便如此，目前實(shí)現(xiàn)秒定義的原子鐘還是銫原子微波鐘，銫原子鐘以其獨(dú)特的優(yōu)勢，成為一級時(shí)間計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的參考，但如今，微波原子鐘的精度已經(jīng)不能滿足某些高精密應(yīng)用需求，尤其在基礎(chǔ)科研方面，所以用光鐘進(jìn)行秒定義修改的工作正在如火如荼的開展，光晶格鐘、離子光鐘可能會(huì)成為秒重新定義的基準(zhǔn)鐘。但是，秒重新定義的三種方案還在廣泛征集意見和討論之中，且有可能采用微波鐘、光鐘齊頭并進(jìn)的方式，通過確定權(quán)重來實(shí)現(xiàn)秒定義的過渡以及重新建立。綜上，開發(fā)一種權(quán)衡利弊、集微波-光學(xué)頻標(biāo)于一體、并延續(xù)現(xiàn)有銫原子頻率參考地位的原子鐘將是未來原子鐘發(fā)展的一個(gè)重要方向。

為解決上述問題，該工作創(chuàng)新性地利用銫原子量子參考，在一個(gè)高端科學(xué)儀器上同時(shí)實(shí)現(xiàn)了微波和光學(xué)兩種不同波段的原子鐘，且光頻和微波兩個(gè)波段即可以隨意切換輸出，也可以同時(shí)輸出，兼具優(yōu)異的短期和長期頻率穩(wěn)定度，實(shí)現(xiàn)了基于銫原子的雙波段光學(xué)-微波原子鐘。該方案只需一個(gè)本振激光，結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異、成本低廉，且能同時(shí)發(fā)揮微波和光頻原子鐘的優(yōu)勢。實(shí)現(xiàn)的銫原子小型光學(xué)原子鐘頻率穩(wěn)定度3.9×10-13/ s，2000 s內(nèi)的頻率穩(wěn)定度均在10-13量級，與國際利用熱原子實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)小光鐘性能相當(dāng)，進(jìn)一步，基于此激光實(shí)現(xiàn)的微波光抽運(yùn)小銫鐘頻率穩(wěn)定度為1.8×10-12/，十萬秒穩(wěn)達(dá)6.0×10-15，是迄今國際上商用小型銫束原子鐘的最優(yōu)水平。

該研究工作在北京大學(xué)電子學(xué)院陳景標(biāo)教授（通訊作者）領(lǐng)導(dǎo)下完成，北京大學(xué)集成電路學(xué)院史田田助理研究員為論文第一作者，共同研究人員還包括北京大學(xué)電子學(xué)院博士生秦曉敏、劉子捷、史航博，成都天奧電子股份有限公司韋強(qiáng)高級工程師，浙江法拉第激光科技有限公司劉珍峰經(jīng)理、陳昆昆，中國計(jì)量科學(xué)研究院曹士英研究員。該研究得到了科技創(chuàng)新2030―“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、中國博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃、溫州重大科技創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金的支持。

來源：北京大學(xué)