全球首个光钟系统升空 更精准“拿捏”时间

　　10月31日15时37分，长征五号B遥四运载火箭托举梦天实验舱升空。11月1日凌晨，梦天实验舱与天和核心舱组合体在数百公里外的太空成功对接。后续，将按计划实施梦天实验舱转位。届时，梦天实验舱将与天和核心舱、问天实验舱形成空间站“T”字基本构型组合体。

　　此次发射的梦天实验舱的意义尤为重要，它使得中国未来能够向太空运输最先进的科学实验设备。此次与梦天实验舱一同送入太空的世界首个高性能“光原子钟”（也称原子钟、光钟）就备受关注，光钟用于更精确地测量时间，而中国也有望建成世界上在轨运行的精度最高的空间时间频率系统。

　　首个“光钟”系统上天

　　梦天实验舱作为“工作室”，是三舱中支持载荷能力最强的舱段，被誉为空间实验“梦工场”。

　　据新华社报道，实验舱内配置有13个标准载荷机柜工位。此外，为了最大化实现舱外实（试）验支持能力，舱外配置有37个载荷安装工位，可为各类科学实验载荷提供机、电、热、信息方面的能力支持，确保它们在太空环境下开展各类实（试）验。

　　载荷舱还配置有2个展开式暴露平台和1个固定式暴露平台，为载荷在轨工作提供机械接口，最大限度地拓展对载荷的支持能力。

　　中国科学院国家授时中心研究员、我国载人空间站高精度时频柜副主任设计师常宏对第一财经记者表示：“此次发射的高精度时频实验柜是空间站中最复杂的实验柜，由两个舱内科学实验柜和4台舱外设备组成一个完整的实验系统，搭载了由国家授时中心、上海技物所、杭州高研院、国防科大共同研制的锶原子光钟，这在全球范围内也是首次。”

　　常宏告诉第一财经记者，原子钟的实验都是在验证“小数点后好几位”，这是世界上最精密的量子测量仪器。他介绍道，最新发射到空间站的高精度时频实验柜能够让一些原本只能在地面实验室演示的工作，在技术上和应用场景上更加成熟，为不久的将来光学原子钟全面走向实际应用奠定技术基础。

　　常宏向第一财经记者介绍称，此次发射的高精度时频实验柜主要通过科研人员在地面上发遥控指令，几乎不需要航天员的操作。他还称，一些演示性和验证性的试验能够较快地开展，另外一些重要的基础前沿研究，可能会贯穿空间站的全寿命周期，例如精细结构常数是否随时间变化的验证。

　　光学原子钟作为时间频率的精密测量平台，通常称为“量子频标”，是量子科学最早的实际技术应用之一。常宏对第一财经记者表示，中国在2018年，由上海光机所的刘亮团队首次把冷原子铷微波钟发射到太空，开创了冷原子钟的空间应用时代，更早的时候，中国的北斗卫星上就使用了我国国产的星载微波原子钟，但是这次最新发射的高精度时频柜的意义大为不同。

　　“现在的精度至少提高了5个量级，也就是提升了10万倍以上，可以说是世界上发射到太空的测量精度最高的量子精密测量仪器。”他告诉第一财经记者。

　　常宏表示，长期以来，在频标技术方面，我国与国际最先进的技术有较大的差距。“这也是为何我们国家早期没有建立起自己的导航系统的原因之一，因为原子钟是导航系统的核心技术之一，而我们直到近二十年来才发展起来国产的高性能原子钟。”他告诉第一财经记者。

　　我国首台原子钟的研制者、北京大学王义遒教授曾表示：“我国鼓励知识创新、鼓励科技创新，就要有选择地鼓励能提高生产知识和科技生产力的基础研究，鼓励能体现人的科技能力的基础研究，以追求提高准确度和稳定度为不竭动力的量子频标研究就是一个极好的课题。因为在这种追求的过程中，人们不仅将实现认识和技术的能力，而且将会诞生许多有实际应用价值的科技硕果。”

　　解决“从地到天”工程问题

　　在高精度时频实验柜发射之后，“光钟”能力的展现才刚刚开始。“我们首先要给系统供电，然后测试每一个单机的系统功能和指标，等功能正常发挥之后再开始有针对性地提升性能。”常宏对第一财经记者表示，“就好像先要让汽车跑起来，然后再去看它能跑得多快。”

　　常宏带领的国家授时中心研制出空间光钟的过程中，如何把这一平台从地面搬到天上，涉及许多航天技术物理方面的问题。上海技术物理研究所的工程总体团队帮助国家授时中心实现了“从地到天”的迁移。

　　上海技术物理研究所研究员、时频系统副指挥舒嵘对第一财经记者表示：“高精度时频柜发射到天上去，它的环境和温度等物理条件都会发生变化波动，这和在地面实验室的恒温条件是不同的，涉及热、力平衡方面的问题，以及工艺和材料方面的选择，这些技术难题很多是我们给予指导帮助解决的。”

　　舒嵘团队曾与中国科学技术大学潘建伟团队在“墨子号”科学实验卫星方面进行合作，拥有实战经验，包括通过筛选及工艺验证，使得模块可搬运，并在极端条件下保持模块的稳定性。

　　“不像我们在墨子号里面直接与科学家一起进行产品研制为主，这次高精度时频柜更主要是做好工程管理工作，我们在不到两年半的时间内与任务总体单位授时中心一起带领十余家单位共同完成了这项工程，其间还是克服了不少挑战。”舒嵘对第一财经记者表示，“时频柜的发射成功只是一个开端，接下来我们的挑战才真正开始。”

　　他还介绍称，高精度时频柜后续的科学实验与“墨子号”卫星也有相似之处，涉及天地一体化试验。

　　就在10月5日，潘建伟团队与上海技术物理研究所、中科院国家授时中心等单位合作，通过发展大功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术，首次在国际上实现百公里级（相距113公里）的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递万秒稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19。

　　中国科学技术大学彭承志研究员告诉第一财经记者：“此次实验提高了时间频率的比对精度，高精度的时间频率比对是很多物理实验的基础，未来五到十年，我们争取实现星地时间频率比对。”

　　时间的精确测量可以让人们的生活更便利。例如，卫星的导航精度与计时精度紧密相关，人们的生活早已离不开导航和定位，要想定位更准确，比如精确到米以下，就需要更好的计时精度。

　　常宏告诉第一财经记者：“高技术的平台支持下，如果我们的设计指标都能够完全达到预期，那么这些前沿基础研究就不仅仅是技术能力的提升，而且未来也具有重大应用意义，能够带动电子技术、激光技术、制造业、精密加工和材料等领域的发展。”

　　他还表示，要实现这些应用，未来光钟一定要满足精度高、易便携、小型化等。“现在的光钟还在实验阶段，成本太高了，未来要全面应用普及，就必须成本可承担，在产业链方面我们还需要完善。”