走进核光钟：把计时基准搬进原子核，下一代时间频率的前沿

2026年6月，中国、欧洲科研团队同期在预印本平台arXiv发布核光钟原型机成果（arXiv:2606.04997、arXiv:2606.08870）；同年10月7日，清华大学丁世谦团队完整成果正式在线发表于《自然》（Nature）期刊，国际上首批核光钟实现闭环稳定运行，标志着核光钟从数十年的理论构想、光谱探测研究，正式升级为一台可实际工作的精密计时装置，是本世纪量子精密测量领域里程碑式的原创突破。作为深耕时间同步、频率计量领域多年的企业，西安同步电子科技有限公司带大家读懂核光钟这项前沿量子精密测量技术。

一、什么是核光钟

我们熟悉的原子钟、原子光钟，计时的“钟摆”是原子外层电子在不同能级之间的跃迁。激光或微波激发电子跃迁，产生稳定的振荡频率，以此作为时间基准。

而核光钟，打破了这一框架：它不再利用电子跃迁，而是选用特殊同位素钍-229，使用148纳米（nm）真空紫外激光驱动原子核内部能级跃迁，以原子核的振荡频率作为计时基准，是继原子微波钟、原子光钟之后，被学界寄予厚望的新一代时间频率基准方案。

钍-229原子核拥有人类已知**适合激光操控的低能核同质异能态，跃迁能量约8.4电子伏特，对应148纳米真空紫外波段，核跃迁振荡频率高达每秒约2000万亿次，可以把时间切割到**精细的尺度。原子核深埋于原子内部，受外层电子壳层屏蔽，磁场、电场、温度等外界环境对核能级跃迁的干扰被显著抑制。通俗来讲：原子钟是聆听原子外层电子的振动节拍，核光钟是捕捉原子核内部更加“坚硬稳定”的心跳。

核光钟概念提出已有二十余年，但两道核心瓶颈长期阻碍技术落地：一是缺少148纳米连续波真空紫外激光；二是钍-229属于**稀缺的放射性战略同位素，获取受限、几乎没有试错空间。

针对光源难题，丁世谦团队另辟蹊径，跳出传统非线性晶体路线，采用镉金属蒸气四波混频技术，在约600摄氏度镉蒸气环境下，实现国际上首次148纳米连续波真空紫外激光输出，将该波段单频激光线宽降低近六个数量级，补齐核光钟研制的最后一块光源拼图。

针对稀缺核素难题，在多方协同之下，团队仅使用1.4微克钍-229，一次性生长出毫米级高质量掺钍-229氟化钙晶体，核素消耗量仅约欧洲同期团队的1/200，**降低对稀缺战略核素的依赖。

完成硬件搭建之后，团队开展高分辨率核跃迁光谱测量，筛选窄线宽、温度敏感性弱的谱线作为频率参考；通过监测激光被晶体中钍-229原子核的吸收强弱完成反馈调节：激光对准核共振频率时，光子被吸收，信号下降；一旦激光频率发生漂移，吸收信号回升，系统即刻修正激光，实现从“测量核跃迁”到“利用核跃迁计时”的跨越，完成核光钟完整闭环运行。

中欧两条技术路线略有差异，中国团队激光器功率更高，晶体中钍-229掺杂浓度更低，最终实现可对比的探测信号，我国样机秒级稳定度优于欧洲团队接近一个数量级。两台原型样机连续运行条件下，一天漂移等效于300万年误差约1秒，但该性能仍是原型机水平，尚未追平现有**原子光钟（后者约400亿年误差1秒）。

二、核光钟对比现有原子钟，优势在哪里

1. 抗环境扰动能力强，理论性能上限极高。传统原子光钟极易受电磁场、温度、振动干扰，必须在严苛实验室环境才能发挥最高指标。原子核被电子壳层包裹，对外界扰动天然免疫。理论极限下核光钟可达到3000亿年误差不超过1秒，不过当前固态晶体原型距离理论上限仍存在巨大提升空间，仍需要持续迭代优化样机指标。原子钟主要受电磁相互作用影响，而核跃迁更多受强相互作用支配，这也赋予核光钟独特的物理探测价值。

2. 固态晶体方案，无需极低温冷却，工程化潜力突出。现有**原子光钟依赖激光冷却、离子囚禁、超高真空等复杂庞大设备，体积大、功耗高，很难走出实验室。钍-229嵌入氟化钙晶体的固态方案，不需要原子囚禁、不需要极低温制冷，在室温即可工作。欧洲团队相关专家公开表示，晶体型核光钟已经进入商业化开发前期阶段，未来有希望实现小型化、轻量化，摆脱大型实验室束缚，向星载、机载应用推进。同时学界还有另一条备选路线：囚禁单颗钍-229离子，有望冲击更高精度，但技术实现难度更大，尚处在待探索阶段。

3. 基础物理全新探测工具。钍-229核跃迁对基础物理常数变化高度敏感。核光钟不只是计时工具，还可以用来检验相对论、搜寻暗物质信号、研究基础物理常数是否随时间演化，同时给科学家打开探测原子核内部强相互作用的全新窗口，这是现有原子钟难以实现的独特价值。

重要提示：当前核光钟还处于实验室原型样机阶段，刚刚完成闭环验证，距离工程化、产品化仍要跨越器件可靠性、宽温适应性、抗振动、长期连续运行等一系列工程难题。短期内不会替代铷钟、铯钟、原子光钟、北斗/GNSS授时服务器等成熟时间频率产品。电力、通信、导航、计量等行业现有时间基准，依旧依靠经过长期工程验证的成熟设备。

三、核光钟未来有哪些应用场景

时间频率是国家基础设施底层核心，核光钟如果完成工程转化，将带来多领域变革：

卫星导航与深空自主导航：星载时钟直接决定导航定位能力。若未来实现小型化星载核光钟，可提升定位精度与抗干扰能力，减少地面站校准频次；对于地火探测、太阳系深空航行，航天器通信时延巨大，本地高精度守时能力至关重要，固态核光钟是**潜力的备选方案。

电力、通信与算力基础设施：智能电网相位同步、5G-6G基站时间对齐、金融与大数据中心高精度时间戳，均依赖全域时间同步。更高稳定度时钟可以降低全网同步累积误差，提升大型复杂网络的鲁棒性。

大地测量与地球物理监测：依据广义相对论，引力场强弱会改变时钟频率。未来高性能核光钟可用于重力场精细测绘、地壳形变、地震前兆相关监测研究。

前沿基础科学研究：引力波观测、暗物质搜寻、基础物理定律检验等实验，对时间频率基准提出**要求，核光钟将提供新一代测量平台。

四、西安同步，立足时间同步产业，紧跟前沿时钟技术发展

西安同步电子科技有限公司长期专注时间频率同步设备研发、生产与系统方案交付，深耕授时、时钟同步、频率基准领域多年。我们熟知从铷原子钟、铯原子钟，到PTP精密时间同步系统、北斗/GNSS授时设备、IRIG-B码时间服务器等各类工程化时间产品，服务电力、轨道交通、通信、国防、计量实验室等众多行业。

从微波原子钟、原子光钟，再到如今核光钟实现闭环运行，每一次计时原理的突破，都会牵引整个时间同步产业向前演进。核光钟作为下一代时间频率标准的全球竞争高地，目前还停留在原型验证，但已经打开全新技术想象空间。

基础科研成果走向实用装备，中间隔着完整的工程化链条：环境适应性、连续稳定运行、功耗体积控制、批量可复现，正是我们行业企业深耕的方向。西安同步电子科技有限公司持续跟踪国内外原子钟、光钟、核光钟前沿科研动态，一方面持续迭代优化现有成熟授时同步产品，保障各行业时间基础设施稳定运行；另一方面持续关注新型量子时钟工程转化路径，做好技术储备，为我国时间频率产业建设贡献产业端力量。

结语

计时基准从原子外层电子跃迁走向原子核内部跃迁，代表人类的时间标尺向着更微观、更稳定的物理世界延伸。中欧科研团队同期研制出世界首批核光钟，我国团队在光源、稀缺核素利用、闭环稳定性能上取得突出成果，标志量子精密测量正式迈入原子核操控时代。基础科研的突破不会一蹴而就，从实验室样机走向工程化装备还需要漫长攻关。西安同步电子科技有限公司将持续关注时间频率领域前沿技术，坚守时间同步主业，助力我国时间频率基础设施高质量发展。