近日，北京大學電子學院陳景標教授團隊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、中國計量科學研究院合作，成功實現(xiàn)了一種基于銫原子的雙波段光學-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，集成的高端科學儀器可同時輸出微波和光學跨波段頻率標準，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，擴展了基于銫原子的小型化高性能光頻原子鐘和實用化微波原子鐘的應(yīng)用范圍，為原子鐘在可搬運、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)表于美國光學學會旗下的《Photonics Research》雜志。

時間/頻率是目前能夠被測量的最準確的物理量，原子鐘作為實現(xiàn)時頻測量的高端科學儀器，意義重大。比如，通過頻率比對進行基礎(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)、時頻傳遞等，促進了原子鐘技術(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，目前實現(xiàn)秒定義的原子鐘還是銫原子微波鐘，銫原子鐘以其獨特的優(yōu)勢，成為一級時間計量標準的參考，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、離子光鐘可能會成為秒重新定義的基準鐘。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、光鐘齊頭并進的方式，通過確定權(quán)重來實現(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-光學頻標于一體、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，在一個高端科學儀器上同時實現(xiàn)了微波和光學兩種不同波段的原子鐘，且光頻和微波兩個波段即可以隨意切換輸出，也可以同時輸出，兼具優(yōu)異的短期和長期頻率穩(wěn)定度，實現(xiàn)了基于銫原子的雙波段光學-微波原子鐘。該方案只需一個本振激光，結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異、成本低廉，且能同時發(fā)揮微波和光頻原子鐘的優(yōu)勢。實現(xiàn)的銫原子小型光學原子鐘頻率穩(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現(xiàn)的最優(yōu)小光鐘性能相當，進一步，基于此激光實現(xiàn)的微波光抽運小銫鐘頻率穩(wěn)定度為1.8×10-12/，十萬秒穩(wěn)達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電子學院陳景標教授（通訊作者）領(lǐng)導(dǎo)下完成，北京大學集成電路學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電子學院博士生秦曉敏、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，中國計量科學研究院曹士英研究員。該研究得到了科技創(chuàng)新2030―“量子通信與量子計算機”重大項目、中國博士后創(chuàng)新人才支持計劃、溫州重大科技創(chuàng)新重點項目、國家自然科學基金的支持。

來源：北京大學