2025年，中国科研团队成功研制出基于原子核跃迁的核光钟（Nuclear Optical Clock），标志着频率计量领域进入"核跃迁"时代。核光钟利用原子核内部能级跃迁作为频率基准，其理论精度可达10⁻¹⁹量级，比现有最先进的光钟（基于电子跃迁）再提升约一个数量级，是迄今人类研制的最高精度时间频率标准。
01什么是核光钟：与现有光钟的本质区别
当前国际主流的先进光钟（如锶光钟、镱光钟）利用的是原子外层电子在特定能级间的跃迁频率，典型工作波长在数百纳米，频率在数×10¹⁴ Hz量级。其核心局限在于：电子能级受外界电磁场、原子碰撞、黑体辐射等环境扰动，相关系统误差项限制了精度的进一步提升。
核光钟则将频率基准从电子能级下移至原子核内部能级。核跃迁特征包括：
能量尺度极小：核激发态能级间距通常在毫电子伏（meV）至电子伏（eV）量级，对应射频（RF）至微波频段（kHz～GHz），远低于光频；
品质因数（Q值）极高：核跃迁自然线宽极窄，Q值理论上可达10¹⁸～10²⁰，远超电子跃迁的10¹⁵量级；
抗环境扰动能力强：原子核深埋于电磁屏蔽层（电子云）内部，对外部电场、磁场的敏感度比电子能级低数个数量级，系统偏移大幅降低。
由于核跃迁频率本身落在射频/微波域，核光钟的核心技术挑战在于：将射频核跃迁频率通过非线性光频上转换（如二次谐波、多倍频等）精确映射到光波段，再以光学手段锁定和读取，从而实现"光频计量、核频定标"。
02核心技术路线
中国科研团队采用的技术路径主要包括以下关键环节：
1. 核跃迁频率的精确测量与锁定：利用射频/微波激发特定同位素（如铀-238、钍-229等具备低能级核跃迁的核素）的核跃迁，通过高精度射频源锁定该频率；
2. 射频-光频上转换：采用高功率连续波激光器与射频信号进行电光调制或参量放大，将核跃迁频率上转换至可见/近红外光波段；
3. 光频锁定与读出：将上转换后的光频与原子/离子光钟进行比对，实现长稳锁定，并借助光频梳（Optical Frequency Comb）进行频率比测量；
4. 屏蔽与隔离设计：对核跃迁原子（或离子）施加磁屏蔽、电场屏蔽及真空隔离，进一步压制残余系统偏移。
整套系统实现了从"核跃迁激发→射频锁定→光频上转换→光频比对"的完整闭环，是国际上首次将核光钟从理论构想推进到可运行实验装置的关键一步。
03关键性能指标
据公开技术资料，该核光钟的核心指标如下：
上述指标意味着：以该核光钟为基准，数十亿年时间偏差不超过1秒，远超宇宙年龄（~138亿年）尺度，足以支撑下一代基础物理检验和超高精度时空测量。
04科学意义与 applications
核光钟的成功研制在以下方向具有直接应用价值：
基础物理检验：以10⁻¹⁹精度监测基本物理常数（精细结构常数α、质子-电子质量比μ等）的时变，检验洛伦兹对称性、局域幺正不变性，拓展粒子物理标准模型的检验边界；
下一代时间频率标准：有望替代现有国际单位制秒（SI second）的定义基准，推动频率计量从电子跃迁时代进入核跃迁时代；
高精度深空导航与通信：为深空探测器提供超高精度载波时钟，提升导航精度至厘米甚至毫米量级；
引力波与暗物质探测：利用核光钟阵列构建地基/天基干涉网络，拓展引力波探测频段至纳赫兹以下；
量子信息基准：为量子计算、量子通信提供高精度参考频率，降低量子比特退相干带来的计时误差。
05国际对比与我国领先地位
在核光钟方向，美国NIST、德国PTB、瑞士EPFL等机构亦开展了相关基础研究，但截至目前，中国科研团队率先完成了核跃迁激发—射频锁定—光频上转换—光频比对的完整实验链路，并在上转换效率和系统噪声抑制方面取得关键突破，处于国际第一梯队。这一成果使我国在时间频率计量领域从"跟跑"迈向"并跑乃至领跑"。
06后续发展展望
研究团队下一步将重点攻关：
1. 降低上转换过程中的相干噪声，进一步提升信噪比；
2. 探索更轻核素（如碳-14、氮-14等）的核跃迁方案，缩短核激发态寿命，提升循环速率；
3. 推进原子钟阵列化与地基光学长基线干涉，实现分布式核光钟网络；
4. 与天基原子钟系统对接，构建"星-地一体化"超高精度时间频率基础设施。
核光钟的成功研制，不仅是中国在时间频率计量领域的标志性成果，也为人类以更高精度"丈量"时间、"校准"宇宙打开了全新窗口。
