时间频率标准是人类生产和科学活动的基本条件。在我国基础物理学领域，活跃着这样一群研究时间频率标准的科学家，他们以看不见摸不着却无时无处不在的“时间”为研究对象，以期得到更精准的时间计量值。

近日，我国光频标研究领域传来喜讯，由中国科学院武汉物理与数学研究所研究员高克林领导的囚禁离子研究组，经过十余年的努力，突破了一系列关键技术，成功研制出了国内首台基于单个囚禁冷却钙离子的光频标。在中国科学院近期组织的成果鉴定会上，以中国计量科学研究院李天初院士为主任的相关专家对其给予高度评价，称“该成果达到国际先进水平”。

据介绍，当光频标做成装置时，其又被称为“光钟”。它比目前的微波钟理论精度高出4～5个数量级，是现在最为精准的时间频率计量装置，有望成为国际新一代时间频率基准。

至此，我国成为继美国、德国、英国、加拿大、奥地利和日本之后，第七个拥有此项技术的国家。

“光钟”三道坎

在中国科学院武汉物理与数学研究所，记者见到了高克林。作为波谱与原子分子国家重点实验室副主任和两任国家“973”项目的首席科学家，高克林显得非常低调与随和。

高克林告诉记者，从古埃及制造方尖石塔算起，人类对时间计量的研究至少已经有五千多年的历史。“每一次时频精度的提高，都使人们在更深的层次上对物质世界的认识得到新发展。”他介绍说，作为时间标准的基础，目前通用的“秒”的定义以原子在微波波段上的量子跃迁为标准，而光频标则是利用原子在光波波段的跃迁来定义。

高克林指出，由于光学频率比微波频率高出4～5个数量级，在相同跃迁谱线线宽的条件下，光频标的不确定度将优于微波频标，所以科学家们一直期盼着实现高精度的光频标。

虽然科学的发展需要光频标，但是光频标的研制并非易事，在技术上必须攻克三道难关，即离子/原子的精密控制，超窄线宽激光器的实现，以及光频的精密测量和锁定。

发论文“十年磨一剑”

2000年，美国科学家首次利用超窄线宽激光器和飞秒光梳完成了第一个“光钟”实验，宣告了原子光钟时代的到来。

“原子的激光冷却、玻色—爱因斯坦凝聚、飞秒光梳和超窄线宽激光器的相继实现，不仅使得该领域近几年诞生了3个诺贝尔物理学奖，也给高精度原子光频标的发展提供了可能。”高克林说。

认准了目标，高克林没有丝毫松懈。在中国科学院武汉物理与数学研究所，老一辈科学家朱熙文研究员在囚禁离子方面积累了近20年的研究经验，这对于高克林团队来说，是一笔巨大的财富和动力。

然而，作为一项基础研究，每一项进展都需要更大的付出和努力。在光频标研究这条并不平坦的道路上，高克林团队一走就是十多年。

“十多年来，高老师每天都要工作到深夜，当整栋办公楼都已灯火寥寥之时，他办公室的灯光总是亮着。”现在已是副研究员的管桦既是高克林的学生，也是他研究所的同事。说起老师，管桦眼里充满了钦佩，“正是有了高老师数十载寒暑的艰辛才会有今天的成绩”。

尽管取得了骄人的成绩，但是当被记者问到该项研究的发文情况时，高克林微微地笑了笑说：“在较高档次文章发表方面，我们发表了2篇《物理评论A》，分别于去年11月和今年3月发表。”

见到记者惊讶的表情，高克林又补充道：“作精密测量研究的人想发表论文的话，需要长时间的积累和足够的耐心。”

争取国际话语权

光频标的研制成功不仅为我国高精度时频技术奠定了基础，推动了精密测量物理研究的发展，还将大大提高我国通信和定位系统的精度。

“目前，光频标的研究仍然处于基础研究阶段，我们与国际最好水平还有一定的距离。”高克林表示，下一步工作主要还是以基础物理和解决技术难题为目标，重点研究高性能的冷离子光频标，并开展基于冷原子的精密测量工作。

今年初，以高克林为首席科学家申请承担的“973”项目“光频标关键物理问题和技术实现”项目正式启动。项目将组织攻关，为建立高精密的光频测量平台，满足我国未来科研、空间导航等需要的高精度频率标准提供基础性的工作。

据介绍，当前，国际计量权威组织根据光频标等新一代频标技术的发展趋势，有可能在2019年重新讨论“秒”的定义。

“目前这台光频标的频率测量值，与国际计量委员会秒定义的二级标准之一(40Ca+的光频)推荐值一致，有望被推荐作为近年二级标准的参考权重值，可为我国在世界时间标准的定义上争取话语权。”高克林说。

（《中国科学报》 (2012-08-15 头版头条)