专题丨秒定义变革及我国时间频率基准的发展和应对
作者简介
曹士英
中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所频率标准及应用实验室主任，研究员，博士，主要从事时间频率计量工作。房芳
中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所所长，研究员，博士，国际时间频率咨询委员会代表，国际频控会微波频标组专家/副主席，中国计量测试学会时频委员会主任委员，全国时间频率计量技术委员会主任委员，主要从事时间频率计量工作。论文引用格式：
曹士英, 房芳. 秒定义变革及我国时间频率基准的发展和应对[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(7):2-8.
秒定义变革及我国时间频率基准的发展和应对
曹士英 房芳
（中国计量科学研究院时间频率计量科学研究所，北京 100029）
摘要：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。
关键词：秒定义；时间频率基准；铯原子喷泉钟；光钟
中图分类号：TN99；O562.3 文献标志码：A
引用格式：曹士英, 房芳. 秒定义变革及我国时间频率基准的发展和应对[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(7):2-8.
DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.07.001
0 引言
时间单位秒（s）是国际单位制（International System of Units，SI）七个基本单位之一，也是测量准确度最高的基本单位。2019年5月20日，国际单位制中的4个基本单位得以重新定义，至此除了物质的量（摩尔）的定义外，其他国际单位的定义都可以通过时间单位直接或间接导出。高准确度的时间频率基准不仅是国民经济建设、国防建设和科学研究的重要技术基础，也在全球卫星导航系统、深空探测、高速通信、电力电网、金融等领域发挥着极其重要的作用。时间单位的定义经历了从天文秒到原子秒的发展历程。现行秒长国家计量基准是直接复现秒定义的铯原子喷泉钟。铯原子喷泉钟输出9 192 631 770 Hz的基准频率[1]。随着高精度原子钟技术的不断进步，铯原子喷泉钟的不确定度已达到小数10-16的水平[2]，有望成为下一代秒定义的光钟的不确定度也已进入了10-19量级[3]。
本文主要介绍了时间频率基准的发展历程和秒定义变革的相关情况，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。
1 天文秒
人类对时间最早的认识是通过太阳的东升西落，对时间单位的定义也是根据地球的自转。人类从对天文现象的初始观测中认识到地球的周期性运动，并逐渐建立起时间的观念。在现代时间概念发展历程中，基于地球自转的时间体系称为世界时，基于地球公转的时间体系称为历书时，两者统称天文时。天文测量不能直接产生天文秒。天文“时间基准”只产生基准时间周期，如世界时产生“平太阳日”日长，历书时使用1 900 年的“回归年”作为年长。天文时依赖守时钟的连续运行和均匀细分产生并保持日、时、分、秒。用现代时间概念描述天文时，即根据天文测量基准日长或基准年长，进而校准守时钟产生时标。但由于地球的自转和公转的周期并不恒定，从而导致由天文时产生的秒的长度也不相同，存在一定的不可预测性。
2 原子秒
20世纪中期，随着原子物理的成形和发展，科学家认识到原子内电子能级间的特征跃迁频率在稳定度和复现性上都超越了天文现象产生的稳定度和复现性，是作为时间频率基准的合适选择。1955年，英国国家物理实验室（National Physical Laboratory，NPL）报道了世界上第一台热铯原子束频率标准[4]。随即，美国海军天文台（United States Naval Observatory，USNO）和NPL合作，依据天文历书时标定了NPL铯频标的微波跃迁频率为9 192 631 770 Hz，相对准确度为2.2×10-9[5]。1961年，国际计量委员会（International Committee for Weights and Measures，CIPM）建议采用铯原子基态跃迁作为秒定义的候选。1967年，第13届国际计量大会（General Conference on Weights and Measures，CGPM）通过了采用铯原子跃迁频率来定义秒的决议，即：铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间[6]。2018年，CGPM进一步采用基于常数的新理念重新表述了秒定义：铯133原子不受干扰的基态超精细跃迁频率ΔνCs为9 192 631 770 Hz[7]。从而秒定义表述为：当ΔνCs以单位Hz(=s-1)表示时，其固定数值定义为秒。目前，铯原子喷泉钟的相对频率不确定度已达到1.71×10-16[8]。
现今，国际计量局（Bureau International des Poids et Mesures，BIPM）主导“国际原子时合作”产生国际通用的协调世界时（Coordinated Universal Time，UTC）：分布在世界各地的约80 个守时实验室利用450~500 台商品守时原子钟产生各自的本地时标[9]。通过卫星比对，这些实验室将守时钟数据报送BIPM，加权平均得到自由原子时（Echelle Atomique Libre，EAL）。EAL是异地多台守时钟的平均结果，不但稳定，而且可靠。少数国家研制的喷泉频率基准复现秒定义，驾驭修正EAL的长期漂移和系统偏差，产生不仅稳定可靠，而且准确的国际原子时标（Temps Atomique International，TAI）。TAI不定期插入闰秒就是UTC。TAI和UTC的不稳定度为3.5×10-16/30 D，不确定度为2×10-16[10]。UTC是事后的纸面时，UTC(k)是守时实验室k保持的UTC的本地物理复现，如中国计量科学研究院（Natioanl Instoitute of Metrology，China，NIM）守时实验室保持的UTC的物理复现表示为UTC(NIM)。BIPM每月发布时间公报（Circular T），公布时间偏差UTC-UTC(k) 及其不确定度等信息。在过去的20年里，来自不同国家的大约十几个喷泉钟对TAI作出了贡献，其中我国的铯原子喷泉钟NIM5是其中的一员。
与微波频率标准相比，光学频率标准的工作频率比微波频率标准高出4~5倍，因此具有更高的频率稳定度和更低的频率不确定度。光钟的研究工作始于20世纪70年代。在1997年诺贝尔物理奖——激光冷却技术和2005年诺贝尔物理奖——飞秒光学频率梳技术的推动下，光钟的研究得到了快速发展，并开始超过铯原子喷泉钟。离子协同冷却、离子态的量子逻辑探测、光晶格囚禁原子、光晶格魔术波长、超稳光学腔、超稳激光、低温制冷原子室和热屏蔽腔抑制黑体辐射频移等一系列技术的实现，进一步促进了光钟指标的提升。光钟的不确定度可以达到小数10-18甚至进入10-19的量级[3,11]。
目前，已经有10个光跃迁频率（包括2个新跃迁频率88Sr 和40Ca+）和一个微波跃迁（87Rb）被推荐作为次级秒定义。根据参考量子体系不同，光钟可分为中性原子光晶格钟和离子光钟。其中，光晶格钟同时囚禁测量多个原子，具有信噪比高、频率稳定度高的优势，但需要多维冷却和光势阱实现，系统方案较为复杂。离子光钟通常囚禁单个离子，稳定度稍逊于光晶格钟，但离子的囚禁寿命和相干时间长且无碰撞频移，物理系统简单紧凑，因此不确定度更低、更容易实现小型化和搬运。
在光钟的研究过程中，光学频率梳作为关键技术在光钟的绝对频率测量和光钟的比对测量中都发挥着重要的作用。光学频率梳梳齿覆盖的波长范围广，并且梳齿之间保持着良好的相干性，以一种相对简单的方式实现了微波频率和光学频率的直接链接，从而光钟的绝对频率测量可直接溯源到现行秒定义——铯原子喷泉钟或喷泉钟组。同时，由于光学频率梳梳齿可覆盖多个光钟的光学频率，因此可直接实现不同种离子或原子光钟的比对测量。当同时测量两个独立于光学频率梳的光学频率的比率时，数据符合在10-21量级[12]，从而证明了光学频率梳在当前光钟不确定度限制下完全可以支持光学频率比测量。
3 秒定义变革讨论
3.1 秒定义修改的3种选择
随着高准确度时间频率应用的需求和光钟技术指标的不断提高，国际时间频率咨询委员会（Consultative Committee for Time and Frequency，CCTF）开始组织讨论秒定义修改的提议，并根据现在的理论技术发展提出了秒定义修改的3种选择。
3.1.1 与现在的秒定义类似,选择单一频率跃迁作为新定义
备选频率包括中性原子（87Sr、88Sr、171Yb、199Hg等）和离子（199Hg+、40Ca+、88Sr+、171Yb+等）的钟跃迁频率。这种定义的物理意义清晰。不同种类的光钟各具优势。晶格光钟同时囚禁测量多个原子，具有信噪比高、频率稳定度高的优势，但需要多维冷却和光势阱实现，系统方案较为复杂。而离子光钟通常囚禁单个离子，稳定度稍逊于晶格光钟，但离子的囚禁寿命和相干时间长，与背景噪声更好隔绝且物理系统简单紧凑，不确定度更低，更容易实现小型化和搬运。因此，该方案很难确定最佳秒定义候选。
3.1.2 采用一组跃迁频率作为新定义
利用一组跃迁频率的几何平均值定义一个频率值v=1/NΠi∈Cνwii，式中，vi是某一跃迁频率，N是一个无量纲常数，wi表示频率vi的权重，与其不确定度相关。∑wi=1以确保ν的单位为Hz。此种定义方式是一种全新的单位定义方式，利用一组跃迁频率，常数N可以随着权重的重新分配或者新型光钟的加入动态变化。这种方式无法通过一套实验装置直接复现秒定义。每种光跃迁频率均有推荐值和相应的不确定度。
3.1.3 和其他几个基本单位的定义一样，定义一个基本物理常数
例如将电子质量定义为常数，通过hve=mec2得到Compton频率。此种定义的优势是物理概念清晰，且不随时间、地点变化。复现的方式可以通过定义一列类参考频率实现。但目前，利用物理常数定义频率的所有相关实验，其测量不确定度指标远远低于目前复现秒定义的铯原子喷泉钟的指标，因此无法利用到目前时间频率测量的高准确度。
3.2 秒定义修改路径
CCTF在给出秒定义的3种选择的同时,还对现有时间频率相关技术的发展提出了相关要求。在这些技术目标和政策实现后才能完成最终的秒定义变革。具体秒定义修改路径如下。
3.2.1 对原子钟的要求
（1）光频标准确度要求
• 至少有3个实验室研制的基于同一跃迁的光频标，自评定不确定度≤2×10-18。
• 至少有基于3个不同跃迁的光频标（同一或不同实验室），自评定不确定度≤2×10-18。
（2）光频标不确定度评定有效性验证——频率比值
• 同种光钟测量结果一致性：至少3 次；光钟的频率比值的吻合度在Dn/n≤5×10-18 范围内（通过移动光钟或者高稳定度链路）。
• 不同种光钟比值：至少5 次；光钟或其他光钟的频率比值（每个比值至少在2个不同的实验室测量）的吻合度在Dn/n≤5×10-18范围内（直接测量通过移动光钟或者高稳定度链路）。
（3）从铯频率过渡到新定义的连续性
至少有3 次独立利用TAI或者铯原子喷泉钟对中光钟的绝对频率测量（不同或同一实验室），测量结果不确定度受限于铯原子喷泉钟或者TAI（Dn/n≤3×10-16）。
（4）光钟对TAI产生具有常规性贡献
在1年中5台常规报数的光钟里面，每个月至少有3台光钟参与驾驭产生TAI（不确定度≤2×10-16，不包括二级定义的不确定度）。检查由光钟作为基准而由铯原子喷泉钟作为二级定义TAI产生无影响。
（5）高可靠性光频标
光频标在实验室环境中具备连续可靠运行>10 D的能力。
（6）光频标对UTC(k)的产生有常规性贡献参与驾驭产生TAI的光频标对相关实验室 UTC(k)的驾驭。
3.2.2 对时间频率比对的要求
（1）可持续光频标比对的可行性：在国家内或者洲际内（至少对研制1 台光钟的国家计量院）可行的通过移动钟或者时频链路实现5×10-18频率持续比对技术。重复链路不确定度评定的能力。
（2）本地引力势大小的计算测量水平：对引力势差的测量计算和光钟的准确度指标及频率比值测量不确定度一致参加TAI驾驭时，引力势引进的不确定度≤10-17。
（3）高可靠高稳定度的时频比对链路：对可连续长时间运行的高稳定时频比对链路的需求，实现光钟比对及驾驭TAI不受此限制。
3.2.3 接收新定义的条件
（1）定义可以实现在未来更加准确的复现
（2）各国家计量院可以复现新定义或次级定义
• 利用容易理解的清晰的不确定度评定复现新定义。
• 铯原子频标作为次级秒定义。
（3）重新定义后复现和对时标的持续改进各国家计量院的承诺如下。
• 改进并运行光钟复现新定义和次级定义（确保可靠/连续运行、常规驾驭TAI等）。
• 继续保持铯原子喷泉钟在相当时间内运行。
（4）商品光钟的实现
（5）传输给用户信号的提高
4 我国国家计量院时间频率基准的发展和应对
时间频率计量的准确度是反映一个国家战略竞争力的重要标志之一。基准原子钟是时间频率计量体系的源头，属于准确度最高的计量型科学仪器，其准确度决定着国家时间频率计量体系的技术水平。高准确度原子钟系列的研制是保证国家时间频率计量体系独立完整性的关键，关系到国家的核心利益。
作为国家级的法定计量机构，中国计量科学研究院长期开展时间频率基准的研制工作，从早期的热束型铯基准钟，到目前的激光冷却铯原子喷泉钟，再到有望成为未来秒定义的光钟。中国计量科学研究院从1965年开始研制第一台铯束原子频率标准NIM1，铯束管长度为3 m，至1977年研制完成，准确度为1×10-11，达到当时美国商品铯原子钟的水平；1980年完成5 m长铯束管时频基准器的研制；1981年研制NIM3且通过科研成果鉴定，并于1983年由原国家计量局正式批准授权作为国家时频基准；1986年将NIM3准确度提高到5×10-13，达到当时国际先进水平(见图1)。中国计量科学研究院于1997年开始研制激光冷却铯原子喷泉钟NIM4，于2003年实现不确定度达到8×10-15[13]，于2005年进一步改进后使确定度达到5×10-15（见图2）。中国计量科学研究院于2005年开始研制激光冷却铯原子喷泉钟NIM5，经过5年的努力于2010年实现了1.5×10-15的不确定度指标[14]，准连续运行率99.2%（见图3）。NIM5铯原子喷泉钟于2014年被接收为BIPM认可的基准钟，参与驾驭TAI，于2018年被改进后重新评定的不确定度达到9×10-16。
在传统铯原子喷泉钟中采用超稳晶振作为短稳本振源，受其短期稳定度限制,喷泉钟需要连续运行10 D左右才能达到稳定度平台。这使得喷泉钟的实验和评定都极为耗时，也难于实现与光钟的比对。而将超稳微波用于喷泉钟的短期稳定度参考，可以铯喷泉钟实现最终稳定度的时间从10 D缩短到1~2 D。中国计量科学研究院已开展基于超稳激光和光纤光学频率梳技术产生的超稳微波源研究，形成了原理样机和实验室装备。超稳微波源1~100 s的稳定度优于5×10-15，30 D有效运行率优于99.9%[15]，可为时间频率、计量检测、相控雷达等领域提供优质的微波信号。2019年，中国计量科学研究院进一步攻克了冷原子制备、冷却和探测等关键技术，结合超稳微波源的应用，成功研制出铯原子喷泉钟NIM6，其频率不确定度优于5.8×10-16（见图4）。未来，NIM5和NIM6将组成钟组共同驾驭TAI。
现在，中国计量科学研究院保存着我国国家秒长基准——激光冷却铯原子喷泉钟NIM5和国家时标基准UTC(NIM)。这二者共同构成了中国的时间频率基准，形成了中国时间频率计量体系的源头，其基本作用就是保持我国时间的连续运行，产生和保持高度准确、稳定的国家统一使用的标准时间，同时产生高度准确的时间频率信号用于国内的量值传递，满足国内更领域的实际需求[16]。
由于目前光钟种类较多，秒定义变更后的基准光钟种类还不确定。为了应对秒定义变革，中国计量科学研究院从2006年开始研制锶原子光晶格钟，又于2015年完成了我国第一台基于中性原子的光钟NIM-Sr1，其系统频移不确定度为2.3×10-16，绝对频率测量不确定度为3.4×10-15[17]，数据报送给CCL-CCTF频率标准工作组并被采纳，参与了锶原子光钟频率2015年国际推荐值计算。2021年，NIM-Sr1的系统频移评定不确定度进一步提升至2.9×10-17，绝对频率测量不确定度为3.1×10-16[18]，与此同时开展的NIM-Sr2，其系统频移评定不确定度达到8.9×10-18（见图5）。
相较于探测原子数目较大而在稳定度上占优势的光晶格钟，离子光钟受到的环境扰动更小因而准确度更高。其中镱离子光钟拥有两条成为次级秒定义的钟跃迁谱线，且囚禁时间长达数月，其八极跃迁谱线自然线宽在n Hz量级。另外，镱离子的冷却、重泵、探测等激光均可通过半导体激光器直接获得，镱离子光钟系统具有更好的应用前景。中国计量科学研究院自2020年开始布局镱离子光钟的研制[20]，目标是在2025年完成镱单离子光钟的研制，使其不确定度达到5×10-18，目前已完成物理系统及光学系统的搭建。
在光钟的绝对频率测量和比对测量方面，中国计量科学研究院已开展了掺铒光纤光学频率梳和双光梳时频传递技术的研究。掺铒光纤光学频率梳实现了500~2 200 nm的宽带光谱覆盖，连续锁定时间超过30 D[21]，其中窄线宽的光学频率可实现698~1 542 nm的传递，可覆盖多个光钟的输出频率，梳齿线宽与参考光学频率线宽一致（Hz量级线宽），其具体装置如图6所示。在双光梳时频传递技术方面，中国计量科学研究院在国内建立了第一套基于超窄线宽激光锁定的双光梳系统[22]（见图7），经过与第三套线宽约为1 Hz的连续激光拍频测试，两套光梳梳齿之间的相对线宽优于1 Hz；经有效隔振单台光梳梳齿绝对线宽也可优于1 Hz，为国产化双光梳时频传递装置的建立提供了基础。
在高准确度的时频传递方面，中国计量科学研究院成功研制了远程时间溯源装置——NIMDO，实现了基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）时间频率传递的可准实时验证的溯源或授时技术，通过GNSS实现远程时间频率源与原子时标国家计量基准UTC(NIM)的比对，进而实现远程时间频率源与UTC(NIM)的实时同步。以UTC(NIM)作为参考时，可在远程端以偏差优于10 ns、合成标准不确定度优于5 ns的水平复现UTC(NIM)。
5 结束语
从天文秒到原子秒，时间单位的不确定度已提高到5~6 个数量级，目前的时间单位的不确定度已达到小数10~16 的水平，而有望成为下一代秒定义的光钟的不确定度也已进入了10~19 量级。时间单位指标的提升带动了一系列领域的技术创新和原理创新，同时也需要更多技术的支持。在时间频率基准的研究方面,我国的国家计量院，在铯原子喷泉钟、原子时标、光钟、超稳微波源、光学频率梳、时频传递等方面都开展了大量的工作并取得了一系列的成果。从时间频率基准的发展角度看，无论是复现秒定义的铯原子喷泉钟还是有望成为未来秒定义的光钟，一方面需要不断提高准确度、稳定度、连续运行率等技术指标，另一方面需要基于现有指标加快推动时间频率基准的传递和应用工作。
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Redefinition of unit of time and research progress of primary frequency standard in NIM
CAO Shiying, FANG Fang
(Division of Time and Frequency Metrology, National Institute of Metrology, Beijing 100029, China)
Abstract: The redefinition of the International System of Units makes the definitions of other base units directly or indirectly related to the unit of time (second) except that of the amount of substance. High-accuracy time and frequency standards plays an important role in national economy, national defense and scientific research. This paper mainly introduces the development of the definition of the second from astronomical second to atomic second, and the discussion on the redefinition of the second and the requirements for atomic clocks. Finally, it introduces the research work and counter measures of National Metrology Institute of China on time and frequency standards.Keywords: definition of the unit of time; time and frequency primary standard; caesium fountain clock; optical clock
本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第7期
主办：中国信息通信研究院
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