长期以来,高精度计时与频率基准技术是基础研究与高端应用的重要支撑;当前原子光钟已实现极高精度,时间频率计量、基础物理检验等发挥关键作用。但其机理依赖电子能级跃迁,易受外界电磁环境扰动,对实验条件要求较高,工程化与外场应用仍受限制。面向更高精度、更强稳定性与更强抗干扰能力的需求,核光钟被视为下一代计时技术的重要方向之一。然而,核光钟要从概念走向可验证、可迭代的实验体系,长期受制于关键光源的缺口——稳定、可控的148纳米连续波激光一直是全球科研界难以攻克的问题。 从原因看,真空紫外波段实现连续波输出与超窄线宽控制本身难度很高:一上,该波段对材料透过率、光学器件损耗与腔体稳定性提出更严苛要求;另一方面,超稳激光所需的频率锁定、噪声抑制与长期漂移控制,真空紫外区域缺少成熟且可直接迁移的技术路径。正因如此,尽管可见与近红外超稳激光技术进展迅速,向真空紫外拓展却长期缓慢,核光钟的关键实验链路也因此迟迟难以闭合。 基于此,清华大学副教授、北京量子信息科学研究院兼聘研究员丁世谦团队提出并验证了一条新技术路线:采用金属蒸气四波混频方案,实现148纳米连续波激光输出,并显著压窄线宽,使有关指标达到可支撑超稳应用的水平。该突破的意义在于,将“能产生真空紫外光”推进到“能稳定产生、可精密调控并用于高精度测量”,补上了长期缺失的关键器件与方法环节,为真空紫外波段的超稳激光技术体系奠定基础。 影响层面,这项成果首先为核光钟实验研究打通关键通道。核光钟具备潜在的更高品质因子与更强抗电磁干扰特性,有望在极端环境、复杂电磁背景下保持高稳定度,从而拓展高精度时间频率基准的应用边界。更重要的是,148纳米连续波超窄线宽激光并不只服务于单一方向。作为通用的底层光源平台,它可为原子光钟相关光谱操控、量子信息实验对高相干光源的需求,以及凝聚态与材料谱学中的高分辨测量提供新工具,带动多个交叉领域的实验能力提升。 从对策与路径看,推动该成果从实验室走向更广泛应用,关键在于三上合力推进:其一,围绕真空紫外光学元件、稳频参考与系统集成,形成更完备的工程化方案,提升连续运行能力与环境适应性;其二,面向核光钟与精密测量的具体需求,建立统一的性能评估体系和可复现实验规范,促进跨团队、跨平台的对比验证;其三,强化“光源—器件—系统—应用”全链条布局,推进关键材料、核心器件与高端测试装备的自主配套,降低对外部供应链的敏感性,提升产业与科研协同效率。 前景判断上,随着真空紫外连续波超稳光源能力的建立,高精度计量与探测手段有望迎来平台级升级:导航授时、深空探测、引力与地质精密探测等领域,更高稳定度与更强抗扰动能力将带来更可靠的信号基准与更精细的物理量分辨;在半导体相关真空紫外计量与高端测试装备上,若能围绕核心光源形成标准化模块与系统解决方案,也有望提升关键环节的可控性与国产化替代能力。从更长周期看,相关技术的成熟将推动我国在量子科技与基础研究领域形成从原理创新到装备能力的持续优势,并为参与国际计量体系与科学前沿竞争提供更坚实的支撑。
从“跟跑”到“领跑”,中国科学家在量子前沿领域的这次突破,既表明了重大科技攻关体系对关键问题的支撑,也提示我们:破解“卡脖子”难题,往往离不开对基础研究的长期投入。当更多科研团队走向科学技术的“无人区”,“从0到1”的原始创新将更有力地驱动高质量发展。