2022年4月29日下午14:00，由北京大学电子学院主办的电子学院前沿学术论坛第28期通过网络顺利举行。
本期论坛邀请到科技部973计划“原子频标物理与技术基础”(2005年)、“光频标关键物理问题与技术实现”(2011年)项目首席科学家，国家重点研发计划重点专项-量子调控与量子信息—“高精度原子光钟”(2017年)项目首席科学家高克林研究员做“钙离子光频标进展”的主题报告。近50名师生参加了本次学术报告。
讲座伊始，高克林研究员通过对时间的记录方式引入本次报告的主要内容：钙离子光频标的进展。
首先，高克林研究员回顾了精密测量物理和技术的发展推动原子频标的进展，从原子束的磁共振到单个量子比特操控等科学和技术导致原子频率标准的从无到有，精度不断提高。随后讲述了通过对选择合适原子的调控克服不同的频移和展宽来实现高精度光谱的基本原理。导出实现光频标需要的基本技术：实现原子和离子的囚禁和激光冷却，利用PDH技术锁定的亚赫兹线宽的超稳激光器，采用光频梳实现光频和微波频率之间的频率转换。总结了原子光频标的最新进展。包括美国NIST、美国JILA、德国PTB、日本东京大学和中国科学院精密测科学与技术创新研究院(原中国科学院武汉物理与数学研究所)不确定度进入10-18量级的中性原子光频标和离子光频标。我们知道：人类对精密的追究是没有止境的。随着光频标的精度不断提高，会导致更精细的物理实验：检验精细结构常数α随时间的变换，检验洛伦兹不变性，检测引力红移作为广义相对论的实验依据，探测引力波和探寻暗物质等，由此寻找超越标准模型的新物理。同时，导致更高精度的时间基准(新的秒定义)，在导航、大地测量、通信等领域的应用。
高克林研究员还简述了中国原子频标的发展。
报告中，高克林研究员详细讲述了实现钙离子光频标的研究历程。
起步时，开展钙离子的光键物理和技术攻关：单个离子囚禁的离子阱，单离子的测量-冷却离子的量子跳跃，光频729nm激光(线宽小于1Hz)的PDH稳频，不同物理和环境效应带来的频移，特别是囚禁离子的微运动，黑体辐射效应等。2005年实现了单个钙离子的囚禁和冷却，2011年实现了中国首台光频标(10-16量级)。第二步建立了第二套钙离子光频标。通过结合射频-光子关联、EMCCD成像、采用魔幻囚禁场将微运动带来的不确定度降低一个数量级，2017年实现不确定度为10-17量级的钙离子光频标。进一步建立低温液氮钙离子光频标：对诸多物理效应包括黑体辐射频移、二阶Doppler频移、电四极频移、ac Stark频移等开展了更细微和艰难工作，系统不确定度到达3×10-18，相当于运行100亿年不差一秒。
挑战单离子信噪比差-难以实现高稳定度难题。通过更有效的激光冷却、初态制备、采用Ramsey方法和改进伺服系统，实现离子光频标的准连续运行。2020年通过两台钙离子光频标的频率比对，稳定度达6.3×10-18/520000s，该钟能分辨出约20亿亿分之一秒的微弱时间/频率变化。
为实现光频标的应用，实现了光频标的集成化，让庞大的设备能尽可能缩小体积、降低功耗，安放在移动的方舱内；同时提高了光频标的可靠性、其运行率和抗干扰能力，研制成功了运行率达到75%以上、系统不确定度达10-17量级(相当于运行34亿年不差一秒)的可搬运光钟。实现了千公里级的车载搬运。
基于高精度的光频标系统，开展40Ca+光频的精密测量。2012年，在没有本地基准钟的条件下，采用基于GPS远程溯源的高精度光频绝对值测量方案，实现了10-15量级精度的钙离子光频标绝对频率测量。其结果三次被国际时间频率咨询委员会(CCTF)采纳，钙离子光频跃迁推荐值也被不断更新，精度也不断提高。2020年，利用搬运到北京的钙离子光钟，在中国计量科学研究院(NIM)直接利用溯源至UTC的UTC(NIM)，经GNSS远程传递与飞轮钟远程比对，将钙离子钟跃迁绝对频率的测量不确定度推进至10-16量级。在2021年3月召开的第22届CCTF会议上，第四次采纳了研究组的频率测量值，并由国际时间-长度频率咨询委员会联合工作组推荐40Ca+光频标新增为次级秒定义。这是由我国科学家推进的新的未来秒定义的候选光频标，增加了我国在国际时频标准领域的话语权。
在已有基础上，研究团队可能的工作：极限钙离子光频标：室温下10-18量级不确定度的光频标，长期连续运行的光频标；可“搬运”的10-18钙离子光钟。
在提问环节，线上师生和高克林研究员进行了互动交流，针对原子频标的原子的选择与实现原子频标过程中遇到的关键和极限问题，高克林研究员做了的解答，并分享了在老一代科学家的教导和关怀下、全国频标和原子分子物理同仁合作和帮助下，同研究组同仁们一起--二十年多年来做钙离子光频标的心得与体会，希望与大家共勉—精密测量追求极致。
