新加坡科学家造出全球精度最高的时钟：镥（Lutetium）原子钟镥原子钟实现创纪录的绝对精度与比对精度，有望成为未来时间标准以及重力测量的核心设备。

新加坡国立大学（NUS）量子技术中心（CQT）研制的镥（lutetium）原子钟，树立了计时精度的全新标杆。相关成果发表于《Nature》。该原子钟将原子跃迁频率测定到小数点后19位，不确定度达到10的负19次方，是迄今所有光学原子钟（optical atomic clock）公开报道中的最低不确定度。

“我确信，我们现在拥有世界上精度最高的时钟。”项目负责人、量子技术中心首席研究员、新加坡国立大学物理系副教授Murray Barrett说道。

镥：抗温度扰动的优异材料原子钟依靠原子跃迁（atomic transition）计时：原子内电子在固定频率下发生能级切换。激光器被调谐匹配该“时钟跃迁”，激光光波的振荡就如同钟摆摆动，以此计量时间。这套镥原子钟的计时参考源来自单个带电镥‑176离子，使用波长848纳米的激光与之完成跃迁匹配。

温度波动与磁场都会偏移原子钟的计时跃迁频率，评估时钟精度时必须修正这些干扰。而镥的时钟跃迁几乎不受温度、磁场二者的影响，为时钟提供了在复杂环境下依旧稳定的参考基准。

“这一优异特性意味着，即便处在多种多样的环境中，依旧可以实现超高精度。”Barrett表示，“就算把这台时钟放到地球上最热的死亡谷，或是寒冷的南极高原，它依旧可以稳定工作。”

该团队十多年前就开始研究镥元素，预判它有潜力成为顶级计时元素。把理论设想落地为可运行的原子钟，耗费多年精密工程研发与原子物性测量。研究人员还发明了叫作超精细平均法（hyperfine averaging）的技术来定义时钟跃迁。据团队了解，目前全世界只有他们在开展镥原子钟计时研究。

毫米级高度差，就能改变时钟走速研究人员搭建两台镥原子钟，利用关联光谱技术（correlation spectroscopy），开展超过200小时的计时比对。两台时钟比对不确定度达到5.7x10^{-19}，创下有史以来时钟比对的最高精度；继续累积测量数据还能进一步压低该不确定度。

“有一句很有意思的俗语：‘戴一块手表的人知道现在几点，戴两块手表的人反而拿不准时间。’”论文共同第一作者、新加坡国立大学量子技术中心高级研究科学家Kyle Arnold说，“这句话道出一个道理：检验一套时间标准的唯一方式，就是多台时钟互比，证明结果具备可复现性。”

根据广义相对论，引力会延缓时间流逝，不同高度的时钟走时速率会存在微小差别。达到10的负19次方精度等级的光学原子钟，足以捕捉仅数毫米高度差带来的引力时间膨胀效应。本次实验中，这套比对系统可以分辨出同一实验台之上两台时钟5毫米的高度差（约0.2英寸）。为避免该引力效应干扰比对结果，研究人员将两个镥离子的相对高度测量精度控制在小于1毫米。

但这份超高引力灵敏度，也带来新难题：很难把镥钟和全球其他顶尖原子钟做跨地点比对。目前人类对地球不同点位的重力场差异掌握程度有限，无法把重力带来的时间偏移，和时钟本身性能差异分离开。

“放眼未来，我很难想象还有时钟能够超越它。”Barrett评价道。

超越铯定义的“秒”自20世纪60年代起，铯（Cesium）原子就成为定义国际单位制“秒”的基准。铯原子钟支撑GPS全球定位系统、通信网络与交通网络的时间同步。而光学原子钟使用频率高得多的原子跃迁，相同时间内振荡次数更多，计时能力更优越。此前性能领先的光学原子钟多采用镱、锶、铝元素；本研究表明，镥原子钟性能已经超越上述几种元素。

各类光学原子钟性能持续迭代，负责时间标准的国际机构，正在评估使用光学原子钟数据重新定义“秒”，预计2030年或之后落地。

时钟对重力的超高灵敏度，未来也可以走出实验室：科学家可以用它监测全球重力场变化。超高精度原子钟同样可以用来探索基础物理学中诸多悬而未决的难题。

“下一步，我们要把这台实验室原型钟小型化，做成可搬运系统。”论文共同第一作者、新加坡国立大学博士生Michael Lee表示。可移动时钟可以开展更多异地比对，释放各类现实场景应用潜力。团队有信心在不损失精度的前提下完成小型化。

图1：两台镥原子钟实现创纪录精度比对，灵敏度足以探测仅数毫米高度差带来的引力时间效应。图源：Shutterstock图2：新加坡国立大学量子技术中心镥原子钟实验室，从左至右：Murray Barrett（默里·巴雷特）副教授、博士生Michael Lee（迈克尔·李）、高级研究科学家Kyle Arnold（凯尔·阿诺德）。图源：量子技术中心（Centre for Quantum Technologies）图3：蓝点代表差分光学相位波动带来的不稳定性；该数据是在路径长度稳定系统已开启的条件下，通过额外一段 2 米非稳定光路进行环外测量得到。橙色曲线为比对测量过程中，因87% 占空比采样所估算出的误差贡献。图源：Nature, 23 Sep.2026, Fig10

Reference: “Lu+ optical frequency references with accuracy verified at the 19th digit” by K. J. Arnold, M. D. K. Lee, Qi Zhao, Qichen Qin, Zhao Zhang, N. Jayjong and M. D. Barrett, 23 September 2026, Nature.DOI: 10.1038/s41586-026-11072-8From the SciTechDaily newsletter.