近日，在一项新的研究中，研究人员通过在六个国家同时运行原子钟及其连接链路，进行了迄今为止最广泛的光学原子钟协调比较。这项跨越数千公里的实验，标志着向秒的重新定义并最终建立全球光学时间尺度迈出了重要一步。
“原子钟提供的精确时间和频率信号对于许多日常技术至关重要，比如GPS、管理电网以及保持金融交易同步，”英国国家物理实验室（NPL）时间和频率部门负责人Helen
Margolis表示。“我们的发现有助于提高下一代光学原子钟的性能，从而释放出全新的应用，并推动依赖时间和频率的科学研究。”
光学原子钟是一种利用激光以可控方式激发原子，使原子在特定能级之间跃迁的原子钟。这些跃迁发生在非常精确的频率上，这些频率就是时钟的“滴答”声。由于这些时钟有多种形式，每种时钟都使用不同的原子来计时，因此要充分发挥这些精密计时器的潜力，就需要在长距离上对它们进行比较。
该研究于2025年6月12日发表在《Optica》期刊上（DOI：10.1364/OPTICA.561754），一个多机构的研究团队报告了使用十种不同的光学原子钟同时进行的38次比较——或称频率比——的结果。其中四次比较是首次直接进行的，而许多其他的比较也比以往更加精确。
“这些测量提供了关于光学原子钟仍需进行哪些工作以实现用于国际计时所需的精度和可靠性方面的关键信息，”意大利国家计量研究院（INRiM）的高级研究员Marco Pizzocaro表示。“我们的实验还展示了如何将欧洲各地的光学原子钟连接起来，以最先进的精度测量频率比。这创造了一个分布式的实验室，也可以用于进行基本物理测试，例如寻找暗物质或测试物理学的基本规则。”
光学原子钟准备好迎接挑战了吗？
数十年来，全球计时的标准一直基于全球铯微波原子钟信号的平均值。然而，随着光学原子钟的精度和稳定性不断提高，重新定义国际单位制中的“秒”以使用光学原子钟的呼声越来越高。光学原子钟如今比最好的铯原子钟精确约100倍，其计时精度极高，即使经过数十亿年，误差也不会超过一秒。
然而，将光学原子钟用于国际计时需要比较不同光学原子钟之间的数据，以验证它们是否按预期运行。为了推进这项工作，研究人员在一个由欧盟资助的大型合作项目框架内，进行了六个国家之间光学原子钟的高度协调比较。
“同时比较多个钟，并使用多种链路技术，比迄今为止主要进行的成对钟比较提供了更多的信息，”芬兰VTT MIKES的高级科学家Thomas Lindvall表示。“通过一组协调的测量，不仅可以检查一致性，还能提供更可信的结果。这些结果有助于确定哪些光学原子钟应该用于重新定义秒。”
连接这些钟
为了进行测量，研究人员必须将不同光学原子钟系统的频率输出连接起来。他们采用了两种方法：利用卫星的无线电信号和通过光纤传输的激光光。
卫星方法使用了卫星导航系统中的GPS信号，该信号可供研究中包含的所有钟使用。然而，由于信号噪声或仪器限制等因素导致的测量不确定性，这种连接技术的精度有限。
研究人员还使用了定制的光纤链路，这使得测量精度比卫星技术高出100倍。然而，这些稳定、高精度的连接仅在国际比较期间用于连接法国、德国和意大利的钟。此外，在德国和英国（多个钟位于同一研究所内）进行的本地比较中，使用短光纤进一步减少了不确定性。
研究人员表示，协调十个高性能钟在不同国家的同步运行以及连接这些钟的所有链路，需要提前进行广泛的规划。数据分析也带来了一些挑战。
“并非所有结果都证实了我们的预期，我们在测量中观察到一些不一致之处，”英国国家物理实验室（NPL）的首席科学家Rachel Godun表示。“然而，同时比较这么多钟，并使用多种技术连接钟，使我们更容易识别问题的根源。”
实验确定了一些需要进一步工作的领域。例如，为了确认所有钟都按预期运行，必须将测量不确定性降低到与钟本身的精度相匹配的水平。之后需要进行重复测量，以确认可靠运行，从而增强对钟和链路的信心。除此之外，在重新定义“秒”之前，还需要满足其他几个标准，包括证明光学原子钟能够定期且持续地为国际时间尺度做出贡献。
