團(tuán)隊科研人員在進(jìn)行研究工作。 本報通訊員 白浩然攝
“現(xiàn)在是北京時間……”
聽到這熟悉的聲音，你是否想過北京時間產(chǎn)生于哪里？
其實(shí)，北京時間并非來自北京，而是來自位于臨潼驪山腳下的中國科學(xué)院國家授時中心。在這里，有一群“雕刻”時間的人，他們用智慧和汗水把對時間的測量精確到千億分之一秒。他們就是國家授時中心主任張首剛和他的“時間團(tuán)隊”。
為了千億分之一秒的精確
北京時間是我們每天都在使用的標(biāo)準(zhǔn)時間。中國科學(xué)院國家授時中心承擔(dān)著我國標(biāo)準(zhǔn)時間的發(fā)播任務(wù)。時間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗室依托于該中心，是我國標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生、保持和應(yīng)用的中科院重點(diǎn)實(shí)驗室。
時間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗室要保證我國標(biāo)準(zhǔn)時間的精確度，首先要有高精度時間頻率的產(chǎn)生裝置，也就是原子鐘。國家授時中心安放了30多臺原子鐘，這是國內(nèi)最大的守時鐘組。每天，科研人員要根據(jù)原子鐘的數(shù)據(jù)計算出時間，并將原始數(shù)據(jù)和計算后的數(shù)據(jù)上傳給國際時間局，用來計算國際標(biāo)準(zhǔn)時間。
高精度的時間不僅在通信、證券、航空、國防等領(lǐng)域具有重要意義，作為最基本的物理量，對提升國家科研水平也有著基礎(chǔ)性作用。“時間的毫厘之差，會帶來距離的千里之謬。比如飛船對接，一旦時間差百萬分之一秒，就會出現(xiàn)300米的距離偏差。”張首剛介紹說。因此，所謂高精度，起碼要做到千億分之一秒的精確。
為了這千億分之一秒的精確，多年來張首剛帶領(lǐng)時間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗室，圍繞高精度時間頻率的產(chǎn)生和保持，展開量子頻標(biāo)、時間頻率測量和控制、時間頻率傳遞、守時理論與方法、時間用戶系統(tǒng)等方向的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
判斷時間性能的第一條是守時實(shí)驗室的鐘組在國際原子時計算時的權(quán)重。權(quán)重越大，說明這個守時實(shí)驗室越重要。目前，全世界共有400多臺原子鐘，按照常規(guī)，每個月國際時間局會根據(jù)各地原子鐘數(shù)據(jù)，計算和發(fā)布一次國際標(biāo)準(zhǔn)時間。作為全球最重要的守時實(shí)驗室之一，我國的時間頻率基準(zhǔn)重點(diǎn)實(shí)驗室對國際原子時計算的權(quán)重貢獻(xiàn)位居世界前列。“這說明我們的原子鐘精準(zhǔn)度高，北京時間的性能相當(dāng)不錯！”張首剛介紹說。
目前，圍繞我國標(biāo)準(zhǔn)時間的產(chǎn)生、保持和應(yīng)用，國家授時中心已經(jīng)形成了“原子鐘——守時——授時——用時”的時間頻率學(xué)科鏈，以及以“時間——信號——軌道”為特色的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)優(yōu)勢。我國空間技術(shù)、測繪、地震、交通、通信等多個行業(yè)和部門都在接受和應(yīng)用著來自這支“時間團(tuán)隊”的授時服務(wù)。
科研團(tuán)隊情系驪山
高性能原子鐘是國家戰(zhàn)略資源。由于歷史原因，我國高性能原子鐘的研制水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際先進(jìn)水平。沒有自己的原子鐘，我國將在時頻領(lǐng)域核心技術(shù)上受制于人。
2004年，張首剛辭去法國巴黎天文臺職位回國后，在現(xiàn)任中國科學(xué)院院長白春禮的建議下，放棄了原定去上海的工作，回到故鄉(xiāng)陜西，來到我國唯一從事時間頻率科學(xué)和技術(shù)研究的中國科學(xué)院國家授時中心，從無到有組建科研團(tuán)隊，潛心進(jìn)行高性能原子鐘研制。
張首剛說：“國家授時中心在這方面是零基礎(chǔ)，當(dāng)時整個西安地區(qū)都沒有冷原子研究，可是我研究的新型原子鐘恰恰需要冷原子技術(shù)，所以困難是可想而知的。”
要取得研究的進(jìn)步，首先要有一支好團(tuán)隊。2005年，張首剛來到國家授時中心成立量子頻標(biāo)研究室時，是名副其實(shí)的“光桿司令”。2007年9月，在張首剛的主導(dǎo)下，國家授時中心從法國國家科研中心引進(jìn)第一名海歸博士常宏，之后又陸續(xù)引進(jìn)劉濤、董瑞芳、姜海峰、云恩學(xué)、張曉斐等時頻領(lǐng)域高端人才。截至2017年，量子頻標(biāo)研究室已有科研人員65人。“他們的研究方向包括鍶冷原子光晶格鐘、超窄線寬激光研制、光纖高精度時間頻率傳遞、量子時間同步、飛秒光梳、超冷原子分子物理、量子光學(xué)、芯片原子鐘等，可以說涵蓋了量子頻標(biāo)研究各個方向。”談到同事們，張首剛有一種抑制不住的自豪感。
一位位優(yōu)秀人才的加入，壯大了國家授時中心時頻研究力量：
常宏，法國國家科研中心博士后，負(fù)責(zé)鍶冷原子光晶格鐘研制。
劉濤，德國馬普光科學(xué)研究所、丹麥哥本哈根大學(xué)波爾研究所博士后，負(fù)責(zé)超窄線寬激光研制、光纖高精度時間頻率傳遞等研究工作。
姜海峰，畢業(yè)于法國巴黎第13大學(xué)，目前在國家授時中心致力于飛秒光梳及應(yīng)用研究，其研制的光梳系統(tǒng)達(dá)到國際先進(jìn)水平。
董瑞芳，回國前是德國愛爾蘭根—紐倫堡大學(xué)和丹麥技術(shù)大學(xué)博士后，目前開展量子時間同步技術(shù)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)實(shí)驗研究。
云恩學(xué)，團(tuán)隊中入職年限最短的一名研究員。在法國巴黎天文臺做博士后時，他從事高性能原子鐘、芯片原子鐘等應(yīng)用研究，回國后主要圍繞相關(guān)芯片進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化研究。
……
十幾年來，這支“時間團(tuán)隊”扎根驪山腳下，在鍶冷原子光晶格鐘、銫原子噴泉鐘、超穩(wěn)激光、空間光學(xué)參考腔、自旋軌道耦合偶極量子氣體等研究方面均取得了突破性進(jìn)展。團(tuán)隊的研究成果為我國國防建設(shè)、科技發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了重要貢獻(xiàn)。
面向時間科學(xué)前沿
近年來，光鐘已經(jīng)成為國際計量科學(xué)發(fā)展的一大熱點(diǎn)。早在2006年，國家授時中心就開始部署光鐘研究。
光鐘是未來最有可能重新定義“秒”的原子鐘。它有什么價值呢？國家授時中心量子頻標(biāo)研究室研究員張曉斐介紹說：“比如老百姓在趕火車和高鐵的時候，對時間精度的要求通常在秒的范圍之內(nèi)，也就是在秒的量級；在金融行業(yè)，上交所和深交所要準(zhǔn)確知道金融交易時間，對同步時間精度的要求在毫秒量級范圍之內(nèi)；而在高速路上，移動通信要想不出現(xiàn)中斷或延遲，對時間精度的要求要達(dá)到微秒量級。我們授時中心的光鐘系統(tǒng)，相對于大家所熟悉的納秒，它的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度已經(jīng)提高了數(shù)十億倍這樣一個量級。”同時，該研究成果也將對衛(wèi)星導(dǎo)航、通信及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)同步等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。
衛(wèi)星導(dǎo)航、深空探測、精密物理等領(lǐng)域的研究發(fā)展，需要更高精度時間傳遞方法。張首剛團(tuán)隊正在開展亞納秒級的GNSS載波相位精密時間傳遞技術(shù)、衛(wèi)星雙向載波相位時間傳遞技術(shù)和光纖時間傳遞技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)研究，力爭建立亞納秒級遠(yuǎn)程時間傳遞系統(tǒng)，在我國精密時間傳遞方面發(fā)揮引領(lǐng)作用。
目前，張首剛和他的團(tuán)隊承擔(dān)著國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“十三五”建設(shè)項目高精度地基授時系統(tǒng)、載人航天專項空間時頻實(shí)驗柜試驗系統(tǒng)等研制重任：“面向世界科技前沿和國家戰(zhàn)略需求，國家授時中心正在著力提升守時授時技術(shù)水平、拓展授時手段，開展衛(wèi)星導(dǎo)航信號體制、精密測定軌及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)測試評估技術(shù)研究，建設(shè)我國唯一的衛(wèi)星導(dǎo)航星地綜合實(shí)驗和評估系統(tǒng)。”
未來，這些“雕刻”時間的人還將為我國獨(dú)立自主的星地立體化時間頻率體系建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。
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