天宮二號空間冷原子鐘將太空時間精度提高1-2個數(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，世界首臺太空運行的冷原子鐘在軌近兩年時間里，運行正常、狀態(tài)良好、性能穩(wěn)定，完成了全部既定在軌測試任務(wù)，成功驗證了在空間環(huán)境下高性能冷原子鐘的運行機(jī)制與特性，同時實現(xiàn)了天穩(wěn)7.2×10-16的超高精度，將目前人類在太空的時間計量精度提高1-2個數(shù)量級，是基于冷原子的空間量子傳感器領(lǐng)域發(fā)展的一個重要里程碑，為空間超高精度時間頻率基準(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實的科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

空間冷原子鐘太空運行。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能級之間的躍遷信號作為參考頻率輸出信號的高精度時鐘，同時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，從而實現(xiàn)更高精度。在微重力環(huán)境下運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證實驗，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)境下運行的冷原子鐘物理系統(tǒng)、長期自主運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，在國際上首次實現(xiàn)冷原子鐘的在軌穩(wěn)定運行。

這種能在空間環(huán)境下可靠運行的高精度原子鐘應(yīng)用于導(dǎo)航定位系統(tǒng)將會提升系統(tǒng)自主運行能力、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)還將會應(yīng)用于在空間量子傳感器等多個領(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驗……這是一項驚人的技術(shù)成就”“該工作是空間冷原子實驗研究的一個重要的里程碑”“在太空中進(jìn)行冷原子實驗是當(dāng)前最有吸引力的前沿方向，利用該項技術(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這樣的實驗……”“隨著實驗的成功，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，天宮二號空間實驗室成功發(fā)射并順利進(jìn)入運行軌道。