精密测量院拥有两个国家重点实验室，一个国家大型科学仪器中心，一个国家台站网等4个国家级平台，各类省部级重点平台基地20余个。 现有职工600余人，其中院士4人、杰青13人，各类国家、科学院、省部级人才占比60%以上。2017年至今，在精密测量领域承担了数十项重大重点项目，其中，国家战略先导专项（2.5亿元）1项、重点研发计划12项、各类重大仪器研制专项10余项。精密探测技术和仪器已成为精密测量院满足国家需求和社会经济发展的优势领域方向。 精密...
中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（以下简称精密测量院）是由中国科学院武汉物理与数学研究所（始建于1958年）、中国科学院测量与地球物理研究所（始建于1957年）融合组建而成，是湖北省首个中国科学院创新研究院。 回望来时路，峥嵘六十载。在方俊、王天眷、张承修、李钧、李国平、丁夏畦、许厚泽、叶朝辉等老一辈科学家的带领下，精密测量院历经几代科技工作者的辛勤努力和开拓创新，解决了一系列事关国家全局的重大科...
精密测量院立足精密测量科学与技术创新，面向国家的重大战略需求，发挥多学科交叉优势，开展原子频标与精密测量物理、大地测量和地球物理、综合定位导航授时、脑科学与重大疾病以及多学科交叉的数学计算等研究，促进以原子频标、原子干涉、核磁共振、重力测量、地震探测等精密测量技术为核心的学科发展，形成精密原子、精密分子、精密地球三...
近日，精密测量院高克林、管桦研究团队成功研制出不确定度达4.8×10-18的室温钙离子光钟，为下一步实现10-18量级的可搬运钙离子光钟打下了坚实基础。相关研究成果近期发表在国际学术期刊《物理评论应用》(Physical Review Applied)上。
实现高精度的可搬运光钟是实现光钟应用的关键和必要条件。国际计量局于2017年提出了参考光钟重新定义秒的路线图，其中一项条件是不同光钟间的频率比值的吻合度优于5×10-18，将高精度光钟搬运到各个实验室进行频率比对是重要的方法之一。在相对论大地测量学应用方面，1×10-18的光钟不确定度对应于约1厘米的高程差，利用不确定度达到或优于10-18量级的光钟进行比对有望实现厘米级或亚厘米级的高程差测量，为高程测量提供新的方案。同时，可搬运光钟应用于新一代综合PNT体系建设中，可显著提高体系的综合性能指标。
研究团队此前研制出一台不确定度1.3×10-17的可搬运钙离子光钟，并搬运到中国计量科学研究院的北京昌平院区，实现了10-16量级的钙离子光钟绝对频率测量。在2021年3月19日召开的第22届CCTF会议上，该团队测量的钙离子光钟绝对频率值第四次被采纳，2022年4月13日，国际计量局正式采纳钙离子光频跃迁为新增的次级秒定义参考。
限制钙离子光钟不确定度进入10-18的主要因素为黑体辐射频移不确定度(BBR shift uncertainty)。黑体辐射频移与选择的光钟体系（原子频率跃迁的极化率差）相关，同时与环境温度的4次方成正比，对温度非常敏感——离子所处的环境温度以及温度的涨落相关。由此对温度效应的抑制，实验上可以采用的方法有两种，一是直接降低离子所处环境温度；二是减小离子所处环境的温度变化。这两种方案分别适用于实验室型光钟和对鲁棒性要求更高的可搬运光钟。团队此前通过采用液氮低温系统将离子所处的环境温度从室温（约300 K）降至液氮温度（约80 K），极大地降低了钙离子光钟的黑体辐射频移及不确定度。经过近四年努力，最终将液氮低温钙离子光钟的黑体辐射频移不确定度降低至2.7×10-18(Phys. Rev. Applied 17, 034041 (2022))。
主动温度控制的室温钙离子光钟
左：室温钙离子光钟；右：基于水冷系统的主动温度控制
此次，为实现可搬运，团队从减小离子所处环境的温度变化出发，搭建了一台全新的室温钙离子光钟，通过水冷系统对该光钟的物理系统进行主动控温，将光钟运行过程中的环境温度不确定度减小至±0.3 oC。同时采用有限元分析计算了离子阱各组件对钙离子的有效立体角，并结合真空内的测温探头和红外相机监测和评估了离子阱各组件的平均温度，最终将该室温钙离子光钟的黑体辐射频移不确定度减小至4.6×10-18。同时，通过对钙离子光钟的其余系统误差项进行细致评估，该钙离子光钟的总系统不确定度为4.8×10-18。在此基础上，团队通过进行新搭建的室温钙离子光钟和实验室已有的低温钙离子光钟的频率比对，获得的总的不确定度为7.5×10-18（统计不确定度为4.9×10-18，系统不确定度为5.7×10-18）。该结果验证了黑体辐射频移评估的可靠性。
随着钙离子光钟不确定度指标的不断提高，同时结合钙离子光钟相对简单的特点，可研制成小型化、准连续和高可靠性的高精度可搬运光钟，并将在精密测量物理、时间基准、相对论大地测量、导航定位等方面获得广泛的应用。
本研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院长期以来的大力支持。
文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.064004
头条新闻
精密测量院研制出不确定度达E-18量级的室温钙离子光钟
近日，精密测量院高克林、管桦研究团队成功研制出不确定度达4.8×10-18的室温钙离子光钟，为下一步实现10-18量级的可搬运钙离子光钟打下了坚实基础。相关研究成果近期发表在国际学术期刊《物理评论应用》(Physical Review Applied)上。
实现高精度的可搬运光钟是实现光钟应用的关键和必要条件。国际计量局于2017年提出了参考光钟重新定义秒的路线图，其中一项条件是不同光钟间的频率比值的吻合度优于5×10-18，将高精度光钟搬运到各个实验室进行频率比对是重要的方法之一。在相对论大地测量学应用方面，1×10-18的光钟不确定度对应于约1厘米的高程差，利用不确定度达到或优于10-18量级的光钟进行比对有望实现厘米级或亚厘米级的高程差测量，为高程测量提供新的方案。同时，可搬运光钟应用于新一代综合PNT体系建设中，可显著提高体系的综合性能指标。
研究团队此前研制出一台不确定度1.3×10-17的可搬运钙离子光钟，并搬运到中国计量科学研究院的北京昌平院区，实现了10-16量级的钙离子光钟绝对频率测量。在2021年3月19日召开的第22届CCTF会议上，该团队测量的钙离子光钟绝对频率值第四次被采纳，2022年4月13日，国际计量局正式采纳钙离子光频跃迁为新增的次级秒定义参考。
限制钙离子光钟不确定度进入10-18的主要因素为黑体辐射频移不确定度(BBR shift uncertainty)。黑体辐射频移与选择的光钟体系（原子频率跃迁的极化率差）相关，同时与环境温度的4次方成正比，对温度非常敏感——离子所处的环境温度以及温度的涨落相关。由此对温度效应的抑制，实验上可以采用的方法有两种，一是直接降低离子所处环境温度；二是减小离子所处环境的温度变化。这两种方案分别适用于实验室型光钟和对鲁棒性要求更高的可搬运光钟。团队此前通过采用液氮低温系统将离子所处的环境温度从室温（约300 K）降至液氮温度（约80 K），极大地降低了钙离子光钟的黑体辐射频移及不确定度。经过近四年努力，最终将液氮低温钙离子光钟的黑体辐射频移不确定度降低至2.7×10-18(Phys. Rev. Applied 17, 034041 (2022))。
主动温度控制的室温钙离子光钟
左：室温钙离子光钟；右：基于水冷系统的主动温度控制
此次，为实现可搬运，团队从减小离子所处环境的温度变化出发，搭建了一台全新的室温钙离子光钟，通过水冷系统对该光钟的物理系统进行主动控温，将光钟运行过程中的环境温度不确定度减小至±0.3 oC。同时采用有限元分析计算了离子阱各组件对钙离子的有效立体角，并结合真空内的测温探头和红外相机监测和评估了离子阱各组件的平均温度，最终将该室温钙离子光钟的黑体辐射频移不确定度减小至4.6×10-18。同时，通过对钙离子光钟的其余系统误差项进行细致评估，该钙离子光钟的总系统不确定度为4.8×10-18。在此基础上，团队通过进行新搭建的室温钙离子光钟和实验室已有的低温钙离子光钟的频率比对，获得的总的不确定度为7.5×10-18（统计不确定度为4.9×10-18，系统不确定度为5.7×10-18）。该结果验证了黑体辐射频移评估的可靠性。
随着钙离子光钟不确定度指标的不断提高，同时结合钙离子光钟相对简单的特点，可研制成小型化、准连续和高可靠性的高精度可搬运光钟，并将在精密测量物理、时间基准、相对论大地测量、导航定位等方面获得广泛的应用。
本研究得到了科技部、国家自然科学基金委和中科院长期以来的大力支持。
文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.19.064004