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，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)重點實驗室依托于該中心，是我國標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生、保持和應(yīng)用的中科院重點實驗室。
時間頻率基準(zhǔn)重點實驗室要保證我國標(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)重點實驗室，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驗室之一，我國的時間頻率基準(zhǔn)重點實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。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)航星地綜合實驗和評估系統(tǒng)。”
未來，這些“雕刻”時間的人還將為我國獨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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