秒定义变革及我国时间频率基准的发展和应对

国际单位制的量子化变革使得除了物质的量的定义外,其他国际单位的定义都与时间单位建立了直接或间接的联系。高准确度的时间频率基准在国民经济建设、国防建设和科学研究中发挥着重要的作用。主要介绍了时间单位的定义从天文秒到原子秒的发展历程以及关于秒定义变革的讨论和对原子钟的要求,并介绍了我国国家计量院在时间频率基准方面的研究工作及应对措施。

钙离子光频标钟跃迁绝对频率测量

回顾了中国科学院精密测量科学与技术创新研究院对钙离子光频标钟跃迁绝对频率的测量工作,并对测量结果被国际计量委员会(CIPM)下属的时间频率咨询委员会(CCTF)采纳的情况进行了总结和描述。在2011~2020年间,利用实验室型光频标和可搬运光钟,采用基于飞秒光梳和卫星链路的方案溯源到国际秒定义,及基于飞秒光梳直接溯源到中国计量科学研究院铯喷泉微波钟的方案,多次测量了钙离子光频标钟跃迁绝对频率,测量不确定度从10^(-15)量级逐步提高到10^(-16)量级,共计4个测量结果被CCTF采纳。参与钙离子光频标钟跃迁频率国际推荐值的计算,分别于2012年、2015年、2017年和2021年先后四次更新了钙离子光频标钟跃迁频率推荐值。钙离子光频标钟跃迁于2021年被推荐为新增的“秒的次级表示”。

时间基准的现在和未来

介绍了时间基准、时间系统的基本内涵及常用类型,阐述了当前时间基准的理论定义、计量定义、物理实现。分析评估了时间基准未来可能的发展变化,特别是对光钟的影响、秒定义的变化、闰秒的变化等进行了详细分析。考虑到我国实际情况,从基础研究、技术试验和体系应用的角度给出了关于时间基准的一些思考和建议。

减少世界时闰秒调整频率的原子时秒长调整方法研究

闰秒是协调世界时(coordinated universal time,UTC)为了调和天文时(universal time 1,UT1)和国际原子时(international atomic time,TAI)这两套不同的时标方法之间愈来愈大的累积差距而采取的“强制性的”时标修改机制。因为闰秒会带来诸多弊端,所以在本世纪初科学界就开始研究如何取消闰秒。但是,由于地球自转的影响因素过于复杂,人类目前的研究进度远没法掌握其确切规律,所以完全消除闰秒是一件非常困难的事情。因此,尽可能地延长闰秒的周期,减少跳秒频率,是可以通过缩小UT1和TAI之间的累积差距来完成的。通过对IERS(International Earth Rotation Service)近11年来的地球定向参数(earth orientation parameter,EOP)数据进行筛选、处理和数学分析,最终确定了一套可以有效减少闰秒的天文时与原子时的对应关系,提出了可以减少世界时闰秒调整频率的原子时秒长调整方法。

激光与计量基准

激光以它的良好的物理性能（单色性好、方向性强、能量大等）而被广泛应用到科学与技术许多领域．激光应用于计量科学和利用激光变更计量基本单位的定义和复现其定义，都为计量科学的发展起到革命性的作用．文章介绍了激光与米定义及其复现，激光与秒定义，激光与国际温标。

我国基准光钟及其绝对频率测量

光钟能够产生高稳定、高准确的光学频率,在时间频率计量、基础物理研究、相对论大地测量等领域有着潜在的应用。中国光钟研究从21世纪初开始起步,在超稳激光产生、量子参考体系制备、系统频移评估和绝对频率测量等方面取得了长足的进步,目前已经有多个研究组的光钟系统频率不确定度进入10-18量级,多个机构实现了光钟绝对频率测量,并且有三种光钟的测量结果被国际时间频率咨询委员会采纳。文章将回顾中国为应对秒定义变革而开展的高准确度光钟及其绝对频率测量研究,梳理目前取得的进展和成果,总结存在的问题,并对未来发展提出建议。

光学频率标准研究进展

光钟在近20年里发展迅速,稳定度和系统不确定度均比当前最好的微波原子钟高出两个量级,目前已有10个光学跃迁被国际计量局选定为二级秒定义并参与原子时的产生。本文介绍了光钟的工作原理和系统性能的评估,阐述了离子光钟和光晶格钟的最新研究进展,并总结了光钟绝对频率测量方法和进入二级秒定义的光频跃迁的测量结果。