第774期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《奇妙的量子（一）时间的计量》
讲座题目：透视新科技——奇妙的量子（一）时间的计量
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：郭 弘，北京大学教授。
房 芳，中国计量科学研究院研究员。
讲座时间：2026年6月1日～6月7日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——奇妙的量子（一）时间的计量
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春。目前世界上最先进的腕表，它的精确度可以达到每年只差1~2秒钟，而这对于科研来说却远远不够。科学家推出的原子钟，它的误差可以达到3500万年，只差一秒。那有了这么精确的时钟，会给我们生活带来哪些改变呢？通过短片来进入今天的节目。日出日落，寒来暑往，人类从氏族社会就开始观察太阳、月亮和星辰，进而推算一年的长度。在农耕时代，适时地播种和收割是关系着经济收入和社会稳定的大事，人们的组织生产和社会生活，国与国之间的战争与交流，文明的产生都离不开时间的计量，从太阳的升落到日晷和沙漏，再到机械钟、石英钟，时间的计量精准度代表着每个时代科技的最高水平。随着社会的进步和发展，时间计量的精准度要求越来越高。如果一天的计时误差超过1‰秒，那么通信网络、交通、金融系统、电网发电等等都将会陷入混乱，如果一天的计时误差超过十万分之一秒，那么导航定位系统就无法实现准确定位。如今随着量子信息技术的发展，利用量子的特性而制造出来的原子钟精准度达到3500万年，误差只有1秒，这种极高精准度的时间计量方式，能给人们的生活带来怎样的便利？未来时间的计量，还能精准到怎样的程度？首先给大家介绍一下今天请来的两位嘉宾，一位是北京大学的教授郭弘，另外一位是中国计量科学研究院的研究员房芳。
平时我们生活当中说准时，那就是说郭教授今天晚上七点钟您来我们家吃饭，您七点一刻来我觉得不是问题，不失礼貌，就是大概其是可以的，为什么我们在科学上要那么要求精准的时间呢？我们过去日常可能是差个五分钟或者是十分钟，都不算太大的问题的话，但是你会发现，如果你去体育比赛，比如说足球比赛，最后要加时三秒或者加时几秒。篮球要加一秒压哨，那可是不得了的事情。实际上我们在体育比赛里面，现在都已经，特别是这个冰雪运动的比赛里边，1%秒到1‰秒的要求速度比赛，越来越多了。在科学特别是发展到现代科学技术之后，对时间精度的这要求已经越来越高。那么在科学技术里边，尤其是我们大家现在已经耳熟能详地说，我现在可以去到哪儿去导航定位，以及5G有了6G之后，人们现在对时间测量的这个精度要求就越来越高了。特别是比如说我们要远程操控来做一个手术，你想一想，如果你的定位精度不能达到毫米级甚至于更小，你那个手术能成功吗？那我们有很多的这种手术本身就已经是非常精准的，于是它在空间尺寸上的要求精度这么高，最后导致的结果就是我们要在时间上也要求非常高，恐怕秒就不行了，很有可能我们需要毫秒、微秒甚至是纳秒这样的更高的精度。
那传统的计时方法，到底存在哪些问题呢？以前我们对时间的感知，像在过去肯定是日出而作，日落而息。在1960年以前，我们是根据地球的自转来定义这个时间，全年地球自转的平均的时间一天是86400秒，那后来在1960年到1967年的时候，我们就觉得地球的自转没有这么地准，我们改成地球的公转了，地球围绕太阳转一年的这个时间，那么把它定义成一个常数。可是无论是地球的自转还是地球的公转，它都有一定的误差，它的误差大概是10的负8到10的负10（次方），意味着几十年到几百年就会差一秒的这个时间。那虽然可能您觉得就几十年到几百年差一秒，要求没有这么高，但是我们现在导航定位的精度，它要求所有卫星上面的时钟，它需要同步到3个纳秒的量级，那你的导航精度定位的精度才是一米。如果要是说我几百年就差一秒的话，我这一天可能就差到微秒的量级了，所以远远满足不了我们这个导航定位的要求。
一个准确而稳定的时钟是导航卫星的核心部件，它直接决定了导航定位的精度。对于导航定位而言，导航卫星上的时间越同步，误差越小，定位的精度就越高。若卫星存在十亿分之一秒的时间误差，则会产生0.3米的测距误差。但若时间误差达到整整一秒，测距误差将达到三十万公里，导航卫星形同虚设。2016年，印度第一颗导航卫星里三台计量时间的钟相继失效，导致印度导航系统无法正常运行。而欧洲的伽利略卫星导航系统，目前在轨运行的18颗卫星中也曾一度出现时钟故障，导致长达一周无法给用户提供导航服务，这种为导航卫星提供精准时间的钟表名叫原子钟。石英钟，我们见过，这个家里挂的钟表，手上戴的，机械钟都见过，那原子钟到底长什么样呢？
原子钟的模样非常地不一样。比如说，我们的这个基准钟，我们的基准钟，你要是参观我们实验室，它是占了一屋子，占了一个屋子。这个屋子有多大？这个屋子起码是20多平米。原子钟其实长相也有很多，比如它的铯钟长得就像一个大桶一样的那么一个形状，高的话也许是有两米高，但是现在可能有些地方，人们也不需要那么精确的原子钟，它有可能是需要精度可以低一点，但是在各种其他的场景里边可以做其他的应用，所以那种可移动的这种铯钟也有，就比它矮一点，也像一个桶一样的，这是一种。那么还有其他的小铯钟，比如说它长得不像一个桶，你可以把它做成一个像盒子一样的。还有其他的一些小的铷钟，也可以做成更小的盒子，甚至于一个小片一样的那么一个东西都有，所以总之这个原子钟，就是看了有各种各样的形状。我们都知道，我们平时用的这个钟表，包括机械钟、石英钟，或者是通过发条，或者通过电池来提供动力。那原子钟，它的计时方式是怎样的呢？
原子钟顾名思义，它就是靠原子里边有某种精确的东西来抓住这个精确的时间。在本质上来讲，从原子的结构，它里边运行的这个规律有很多地方，是跟您刚才说上发条的这种是很像的，只不过上发条的这种机械表，物理学上叫作经典的谐振子。那我们到了原子层面进入量子世界之后，我们会有量子的谐振子，在经典的物理里边，我大概认为0.1秒0.01秒已经是很好了。但是在量子世界，我们离这个极限还很远，我们还可以不断地往前前进。一个原子就像一栋大楼，它里边的电子什么要待在不同的楼层上面，但这栋大楼是一个无穷多个楼层的，这样一个大楼，同时每一层到另外一层，它不是等高的，它是越来越密，越来越密，越来越密，到了无穷高的时候，一层和一层之间几乎都已经快贴到一块，这是一个原子大概的样子。那么它高度差最大的是最低的一层和二层，你这个原子不管是放在这儿还是放在别的地方，它这个楼层的高度差是不变的，这叫能级。有了这样一个稳定的不变的能级，就可以知道它差这么大的能量，就意味着对应着差了多大的频率。那么它不变就意味着我可以很精确地测出这个频率有多大，当频率能够精确测量的话，时间只不过是频率的一个倒数而已，所以如果我能精确地测频率，我就能精确地测时间。
其实时间它是有两个概念在里面的，一个就是我们的时刻，另外一个是我们的时间间隔，时刻就是今天是哪一天，几点几分几秒，那时间间隔就是一个标准的一秒有多长，我们要想得到一个准确的时间的话，我们首先要有一个标准的一秒有多长，我们现在定义的一秒钟的话，它是9192631770赫兹，等于是说一秒钟的话，这个电磁波，它可以是振荡92亿次。那么我们累积这个秒，累积60秒了，我们可以得到一分钟，那么再累积60分钟，可以得到一个小时，但是你光有这个，其实你没法得到一个准确的时间，比如说我给你一个非常好的表，那么它从现在开始走其实是不对的，首先需要和一个更准的表来对表。做参照？对，参照。比如说你对一个北京时间，那你现在听北京时间了，然后你先把表对准了，然后接着的话再走，你才能得到一个准确的时间，所以一个就是标准的秒长，就是时间的这个间隔。另外一个就是标准的时间，对应着两个基准，就是秒长的计量基准，还有原子时标的计量基准。我们要定这个时间，有一个所谓的世界时，我们要有这个高精度的原子钟，才有资格去做时间测量加权平均，这里面有中国人测出来的这个成分在里边。现在世界上大概有几十台铯原子钟，包括我们国家，我们计量院的这种NIM5铯原子喷泉钟。
在21世纪之前，我们国家的北京时间是要靠别人告诉我们，因为只有美国、法国、德国，他们才有那样的高精度的钟。他们测出时间来加权平均给的值，然后告诉我们现在几点了。那进入到21世纪之后，因为他们计量科学研究院重大的贡献，使得我们中国人在这个世界的时间体系里边，已经有了话语权。原子钟是一种利用原子的量子特性来获取精准时间频率的装置，这是一台身价不菲的铯原子钟。它既没有指针，也没有齿轮，只有激光束、镜子和气化的铯原子。它的任务是提供秒这个时间单位的准确计量，却不能直接显示钟点。在应用的时候，需要通过各种精密技术手段转化成人们熟悉的时间信号。上个世纪三十年代，美国物理学家伊西多拉比最早提出原子钟的概念。将近20年后，美国科学家制造出了世界上第一台原子钟。随后，更为精准的原子钟纷纷在美国、苏联、英国等国面世。原子钟的出现，是人类计时史上的一次技术革命，它使时间计量标准从此由传统的天文学的计时过渡到原子计时。1967年，在第十三届国际计量大会上，人们用铯原子跃迁的9192631770个周期定为1秒，此后原子钟便成了世界上通行的精准计时工具。
目前原子钟它有多准？我们现在做的原子钟，它已经可以达到了3500万年不差一秒。3500万年？对，3500万年不差一秒，相当于是导航定位的精度是0.1米。那现在来讲，这个原子钟都应用在哪些领域呢？原子钟的应用非常多了，通信、网络，包括远程的医疗，包括我们的这个导航定位，无论是美国的GPS也好，中国的北斗导航卫星系统也好，俄罗斯的格洛纳斯也好，还有欧洲的伽利略系统也好。全世界现在就这么几个系统，如果我们在天上的这些导航卫星上面没有精确的原子钟，它就没有办法把这个精确的时频的信号传递到各个地方，那么你各个地方没有精确的时频的信号，就没有办法再换算成精确的距离等等，你就没有办法去导航定位了。所以你能精确地导航定位是因为你能精确地测距，能精确地测距是因为你能精确地测时，能精确地测时是因为你能精确地测频率。
其实你们这儿就有原子钟，我们还为你们服务。那你给我们介绍一下。你们这儿应该有一台小的铯钟，就是一个等于是机箱大小的，给你们全台提供这个。它是一台铯钟，标准的这个时间？一台铯钟。国际直播、对接？对，这个时间的话，你肯定是需要准的，你不能不准，其实时间的话，在很多地方都有应用的，我们要产生一个世界的标准的时间，是需要这种基准钟，需要守时钟。那除了这种基准钟、守时钟之外的话，包括通信系统很多基站，它们也需要安置自己的钟，现在我们是一个数字的时代，那所有的信息它要排序，它都是需要时间，比如说像我们网购，那肯定是采用这个先到先得的这种方式，或者是春运的时候买火车票，那么它会出现在一个时间的话，可能有大量的客户想购买这个商品，对同时进入。那如果你这个服务器的时间，它的分辨率只有毫秒的话，这意味你给客户排序的时候，一秒钟你只能处理1000个客户，但是如果你要是能达到微秒的量级，那你这等于一秒钟就可以处理100万个客户。甚至于我们国家的这个北斗导航系统已经可以覆盖全球了，而且它可以用在很多地方，那些地方都是跟我们这个时间精确的测量。比如说我有精准农业，他们做的农业生产，要种植各种各样的作物，哪种方式是效率最高，出产量最高。另外，在我们国土资源方面，我们需要到处去勘探很多的东西。我们其实是需要很精准地知道，我们在空间上的这个测距等等这些东西，这个也是靠我们精确测时间，才能得到这些精准的这样一些数据。
这些年我们国家研制这个原子钟方面，取得了哪些成果？目前在国际上是一个什么样的水平？我们国家做得最精确的原子钟研究里边，我们中国计量科学研究院就是以李天初院士，还有房芳研究员他们做的这个事情就做得非常地漂亮。我们基准钟现在是已经达到了3500万年不差一秒，是国际上十几台基准钟当中的之一，就是产生最终的、国际的协调世界时，我们这个时间准不准，那么我们中国的话是有发言权了，我们现在正在研究另外一台基准钟，那么现在我们新研制的已经达到了7000万年不差一秒，希望今年（2022年）后半年或者是明年（2023年）也是能够正式开始使用起来了。我们国家现在做的光钟的这个研究，比如说钙离子光钟，这个是中科院做的，它已经达到了3乘以10的负18（次方）的这个量级，就比我们现在的基准钟又高了两个数量级准确度。我们做到现在这个程度，大概花了多少时间？实际上这个事情从全世界范围里边来讲，从上个世纪五十年代就开始有这个事情。我们国家从事这项研究？其实跟国外的时间差不多，上世纪50年代开始。新中国建立之后就开始做这件事情，而且无论是做激光也好，做微波激射器也好，就是当年最早开始做这个事情，北京大学就开始有波谱学研究，就开始研究这些方面的事情，也做这个微波激射器，也做核磁共振、顺磁共振等等这样一些量子技术，也培养了大量的人，包括咱们计量院也好，还有科学院的授时中心，或者是武汉物数所等等一些单位。从那个时候我们在培养人才，乃至最后做这个方面的研究，最后我们要做成这样的一个像产品一样的东西，我们国家都没有断过。尤其是最近这十几二十年，应该说进步非常神速，刚才提到的这个几千万年，不差一秒的这个，这就是现在我们国家的一个非常重要的一个进展，就是我们有了这个东西，我们才能够去有权重去参与到国际的最后加权平均。那么我们另外的一部分人，在做基础研究的人，也在努力地在去做这个光频段的原子钟，使得能够去追求今后是百亿年不差一秒这样的一个水平。
有些人会觉得国外已经有了那么精准的这个原子钟了，那我们还要努力地研究这个自主研发的意义体现在哪儿？这个问题可能是我们今天这个讨论里边最重要的一个问题，就是当你问既然国际上已经有这么好的原子钟，为什么我们还要自己去研制，我们去买就好了。那如果把这个问题变成，既然世界上已经有了原子弹，你为什么还要自己去研制原子弹，对吧？我觉得这是其实是同样一个问题，从某个角度来讲，原子钟的重要性约等于原子弹。比如说铯钟，我们有一些单位是可以买的，但是很多单位想用铯钟的时候，美国是禁运的，所以这是为什么我们一定还要研究自己的这些原子钟，而且原子钟是非常重要的，尤其是在导航当中的这个作用。如果我们完全不研制自己的原子钟，不研究自己的北斗系统，完全用GPS，那真正发生一些事情的时候，GPS的技术它可以做到关闭某一个局域的信号，那可能我们想需要它的信号的时候就没有了，这是为什么？我们需要研究自己的北斗系统？其实在（上世纪）九十年代，我们曾经遇到过这样的事情，那个时候别人可以突然把你的GPS对我们的服务关掉，然后我们的很多东西都不能用了。过去有一段时间，我们的出租司机就经常在抱怨，说我们这个导航没法用，所以当你命脉的这些东西被人“卡脖子”，抓在别人的手里面的时候，你怎么能够自主，你怎么能够说我可以自主地发展，所以我们必须就是在这个最涉及命脉的这种科学技术上面，我们绝对不能够依赖别人，我们一定要形成一个自主可控的这样一个能力才行。
上个世纪九十年代，我国的北斗卫星导航系统工程立项，而卫星导航技术的核心难点恰恰在于原子钟的研发。可在当时掌握星载铷原子钟技术的国家只有美国和瑞士，经过十多年的追赶，2006年，我国第一台星载铷原子钟搭载实验验证成功。2012年，在北斗二号后期发射的卫星里，我国自主研发生产的铷原子钟全面取代进口铷原子钟，精度达到每300万年误差一秒。2016年，世界上第一台在太空进行科学实验的空间冷原子钟，由中国科学家研制成功，并于当年9月随天宫二号空间实验室发射升空。这台冷原子钟在天上运行3年，精准度达到3000万年误差1秒。2020年，新一代的北斗三号全球卫星导航系统正式开通。北斗三号卫星上采用了我国自主可控的更高稳定度、更精准的新型铷原子钟和氢原子钟，实现了卫星时频基准性能的大幅提高。时至今日，北斗三号全球卫星导航系统运行稳定，系统服务能力已步入世界一流行列。
我们现在已经3500万年差一秒的，这么精准的一个钟，那未来随着我们的技术提高可能会更准，包括您说的是上亿年？对，其实像最好的光钟，可以做到300亿年不差一秒。300亿年不差一秒？对，300亿年就很长，就是从宇宙到现在，诞生到现在。对，理论上来讲是这样，但是300亿年不差一秒这个东西，是现在全世界，大家都在原子钟这个领域里边去做最前沿的竞争和探索。那么现在还仅仅是实验室里边，对于这个频率测量本身的稳定度这样的一个测量，它还没有构成真正意义上的一个可用的原子钟，但是未来也许十几年、二十年之后，有没有可能做到那样的一个精度，这是我们现的非常期待的一件事情。那当拥有了这些的时候，会给我们普通人生活上带来什么样的改变？我觉得还是挺多的，因为导航现在是要求最高的，我们现在可以做到米级的导航定位精度，但是我们想要比如说自动驾驶，我们可能是要求厘米级的精度，那我们肯定是需要把我们的这些钟的指标，提高得更好，包括通（信），其实通（信）对那个时间精度的要求也是非常高的，基本上它现在是130纳秒的要求。那我现在是5G通（信），你要是想达到6G通（信），它对时间同步的要求就会更高。
实际上刚才我们已经提到了一些改变，比如说远程的医疗，我们对时间精度的这个要求已经跟过去不一样了，如果你要那么高的远程定位的精度，特别是做眼科手术什么的，脑科手术。那么就相当于你对这个钟也要有很高的要求，也就是百万分之一秒，或者甚至是到十亿分之一秒，或者更高的这个精度的要求，人们的经济生活中今后的这个要求都在提高。我甚至给你举这样一个例子，比如说大家最后要去在股市今后可能会有这样的事情，就是我到底是买，还是卖，得到这个时间，时间差。今后人们居然提出了这样的要求，希望你的精度能够到纳秒级，什么是纳秒呢？就是10的负9次方，10的负9次方就是十亿分之一秒。同样随着技术的这个发展，技术本身就会驱动很多新的应用，除了这个应用本身会牵引出，我需要你技术，对我们有一些牵引的作用。但另一方面技术本身，如果出现了之后，会让人们产生新的需求的。比如说在没有原子弹、没有氢弹之前，人们并没有去想到，我可以用这个核能的方式来解决发电的问题，但是有了这个技术之后，人们就开始既然你有这个技术，我就会有新的这样的一个需求。所以我们这个钟精度越来越高，我相信除了刚才说的我们今天讨论的这样的一些应用之外，一定会诞生出更多的，现在更加甚至都无法想象的那种重要的应用。
我觉得对我们实际生活肯定也是有有一些影响的，但我觉得最关键的它其实还是从科学的角度，从技术的角度是有影响的，有一段就是炒得非常热的引力波的探测，我们这个原子钟它对引力也算是一个非常灵敏的这种传感器。将来如果我们能进一步提高我们的钟的指标的话，也许我们也可以做这种前沿的这个物理的研究，去探测这个引力波，甚至去探测这些暗物质。事实上现在这样的工作已经开始了，我们这里边的有一部分工作就是包括用原子钟，用磁探仪，用其他的量子传感器等等组成了一个全球的光学磁探仪，探测什么呢？就探测包括暗物质、暗能量等等在内的这样一些奇异物理的现象，另外就是在大地勘探，包括各种资源的勘探，甚至包括生物医学方面。你可以想象，今后假如说你有很多手术根本不需要人去做，而是需要一个非常小的一个比如说纳米机器人之类的这个东西给你注入，但是它也需要精确地在某个位置去做一个精确的事情，那么精确的位置，其实跟导航定位是一样的，它需要精确地去测距，精确地测这个距离就意味着要翻译时要精确地去测时间，又变成了精确地去测频率等等。所以今后在这个基础科学研究，生物医学、能源等等很多的包括信息等等，非常多的方面，一定会诞生出更加重要的应用。好，感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们更多的节目内容，可以下载央视频，收看我们过往的节目。好，今天的节目就到这儿了。我是胜春，咱们下期节目再见。
