深度观察网2025年11月20日 14:20消息，全球首款低温单离子原子钟问世，精度达小数点后18位以上。
11月19日消息，多伦多大学于11月17日发布博文，宣布其物理学家取得重大突破，成功研发全球首款低温单离子光学原子钟。其精度有望达到现有顶尖时钟的100倍。这项成果将推动沿用数十年的铯原子钟体系的更新换代，并为精确计时与基础科学研究带来深远影响。 这项技术的突破不仅标志着时间测量精度的飞跃，也预示着未来在导航、通信、量子计算等领域的广泛应用。单离子光学原子钟的出现，或许将重新定义我们对时间的理解和应用方式，开启更高精度科学探索的新篇章。
物理学系副教授阿马尔・乌塔（Amar Vutha）指出，精确测量时间与频率是整个物理单位体系的基石，提升计时设备的精度，实际上是在夯实所有物理测量的基础。 在当前科技迅速发展的背景下，时间的精准度不仅影响科学研究，也广泛应用于通信、导航和金融等领域。因此，对计时技术的持续改进，不仅是科学探索的需要，更是社会运行的重要支撑。这一领域的突破，或将带来更深远的影响。
所有计时设备都依赖于一个能够产生稳定重复间隔的机制，这个间隔通常被称为“滴答声”。在原子钟中，这一“滴答声”来源于激光电磁场的振荡，而原子的量子振动则起到类似音叉的作用，用来保持激光频率的稳定性。 在我看来，原子钟的这种工作原理体现了现代科技对自然规律的精准应用。通过利用原子的微观特性来维持时间的精确性，不仅提升了计时的准确性，也为科学研究、导航系统以及通信技术提供了坚实的基础。这种将量子物理与工程技术相结合的方式，展现了人类在探索和掌控时间方面所取得的重大进展。
传统原子钟使用微波技术，而新一代光学原子钟则改用可见光激光器。由于可见光的频率比微波高约10万倍，这使得光学原子钟在精度上实现了数量级的提升，能够精确到小数点后18位。这一技术进步不仅标志着时间测量领域的重大突破，也为科学研究和实际应用带来了更精准的时间基准。 从技术发展的角度来看，光学原子钟的出现体现了人类对自然规律理解的不断深入，以及科技手段的持续革新。其高精度特性在卫星导航、通信系统、基础物理研究等领域具有重要价值，未来有望推动更多高精度应用场景的发展。
此次研究团队的突破在于，他们成功研制出全球首个低温单离子阱。该技术同样采用光学激光器，通过电磁场捕获单个锶原子，并利用该原子与激光的同步作用来保障系统的稳定性。
主流光学原子钟的精度目前主要受到周围环境的影响，尤其是金属真空容器发出的红外光，即热辐射的干扰。这种热辐射会干扰作为“音叉”作用的调节原子，进而影响时钟的稳定性。 我认为，随着科技的不断进步，如何有效抑制热辐射对原子钟的影响，将成为提升其精度的关键。这不仅关系到时间测量的准确性，也对卫星导航、基础物理研究等领域具有重要意义。未来，若能在材料和结构设计上取得突破，有望进一步突破当前的技术瓶颈。
研究团队为了解决这一难题，将单个锶原子冷却至低于5开尔文，即仅比绝对零度高不到5度。在接近绝对零度的环境下运行，设备能够有效消除热辐射的干扰，从而突破了当前单离子原子钟的精度瓶颈。这一关键进展为实现更高精度的计时技术奠定了基础，标志着向新一代时间标准迈出了重要一步。 这一技术突破不仅体现了科学在极端条件下的探索能力，也展示了人类对时间测量精度追求的持续深化。随着技术的不断进步，未来的计时系统有望在科学研究、导航系统以及通信网络等领域发挥更关键的作用。
超高精度的时间测量将在多个科学领域带来深远的影响。它不仅有助于提升对安培、伏特等基本电气单位定义的准确性，还将为前沿物理学研究提供更加精准的工具和手段。 在当前科技快速发展的背景下，时间测量精度的提升不仅是技术进步的体现，更是科学研究基础能力的强化。这种进步将推动更多领域的创新，尤其是在需要高度精确控制的实验中，如量子物理、天体观测以及高能物理等。随着这些领域的深入发展，超高精度时间测量将成为不可或缺的关键支撑。
物理学家可以借助这种极其精准的时钟，来验证自然界的 fundamental 常数，例如光速和普朗克常数，是否始终保持不变。因此，这款新型原子钟的出现，不仅意味着时间测量的精度得到提升，还可能推动我们对宇宙基本规律的理解发生重大变革。
