一颗原子核开始滴答。

这章讲量子传感，讲怎么给时间做一把更稳的尺子。

节拍器被搬进了原子核内部

你在街头掏出手机，地图上那个蓝点告诉你，你现在站在哪家店的门口。

这件事靠的不是卫星看见了你。

是时间。

导航的原理很朴素。

卫星在广播自己那一刻的时间，你算出信号飞到你这里用了多久，乘以光速，就知道隔多远。

光速是每秒 30 万公里。

所以时间差 1 纳秒，距离就差 30 厘米。

你手机能准到几米，换算回去，是卫星上那只钟准到了几十纳秒。

所以导航系统里最贵的零件是钟。

卫星不看见你，它只是报时

· · ·

这条链子快到头了

这条时间链子的顶端是原子钟。

现在最好的原子钟，跑到 400 亿年误差不超过 1 秒。

地球的年龄是 45 亿年。

不过这条链子已经快到头了。

原子钟的节拍来自原子外层电子的能级跃迁。

电子挂在外围，风吹草动都要晃一下。

温度变了它晃，磁场来了它晃，一次电磁脉冲过去它也晃。

晃一下，节拍就歪一点。

这不只是实验室里的讲究。

卫星上的钟每天比地面快 38 微秒，不做修正，位置误差每天累积 11 公里，几小时内整个系统就废了。

越是要精准，就越容易被外界打扰。

这是所有精密仪器的通病。

· · ·

原子核开始滴答

2026 年 10 月 7 日，《自然》上线了一篇论文，题目叫《锁定至钍-229 的核钟》。

清华大学物理系丁世谦的团队，联合国内多家单位，把钍-229 “核光钟”做成了一台能稳定“闭环”运行的钟。

同一时间，欧洲那边也几乎同时交卷。

另一支团队走的是完全不同的技术路线，同样做出来了。

两篇论文同期发表，标志着同一件事。

人类第一次把可运行的计时基准，做进了原子核内部。

人类第一次把可运行的计时基准做进原子核内部

· · ·

换了个节拍器

原子钟的老办法，是拿外层电子当节拍器。

核光钟换了个“节拍器”。

钍-229 这个原子核内部有一对能级，能量差 8.4 个电子伏特。

用一束特定波长的激光照上去，核会在两个能级之间来回跳，一来一回就是一个周期。

原子钟的老节拍器是微波或者可见光。

核光钟这个是“真空紫外”，148 纳米。

为什么非它不可。

已知的核激发态有二十万个，跃迁能量几乎都在万电子伏以上，对应波长短到 0.1 纳米以下。

这个波段，现在的激光技术根本做不出来。

钍-229 是已知核跃迁里能量最低的一个，是目前唯一能用激光直接操控的原子核跃迁。

这束 148 纳米的激光，成了整件事的入口。

一个轻得被吹歪，一个重得撼不动

· · ·

一束卡了二十年的光

入口找到了，然后卡了将近二十年。

148 纳米落在真空紫外波段。

这个波段的光在空气里几乎会被完全吸收，光路必须整条放进真空。

普通光学材料到这个波长，要么吸收太强，要么色散严重，用不了。

更麻烦的是频率转换。

物理学家习惯用非线性晶体把长波长的光变成短波长的，可到了真空紫外，晶体同时遭遇两件事，材料吸收和相位匹配失效。

还有一个更基础的要求。

这束光不能是脉冲，得是“连续波”。

脉冲光的线宽太宽，锁不住频率。

波长要对，线宽要窄，相位要稳，功率还得够。

四条同时满足，很难。

2025 年 12 月，德国一家国家计量实验室用四硼酸锶晶体做二次谐波，证明了 148 纳米处做出连续波是可行的。

功率只有 1.3 纳瓦。

2026 年 2 月，清华这边换了思路。

他们不碰晶体，改用高温“镉蒸气”做“四波混频”。

把 375 纳米左右的紫外光和 710 纳米的红光一起送进 550 摄氏度的镉蒸气，两份紫外光的频率加上一份红光的频率，混出来的光正好落在 148 纳米。

功率做到 100 纳瓦以上，比欧洲那条路高了近两个数量级。

怎么证明这束光够纯。

团队把基频激光分成两路，送进两台完全独立的镉蒸气炉，各自产生一束 148 纳米的真空紫外光，再让两束光以微小夹角重叠。

如果相位够稳，重叠处就该出现清晰的空间干涉条纹。

条纹出现了，而且长期清晰稳定。

550 摄氏度镉蒸气里那团乱哄哄的热运动，并没有把光的相干性破坏掉。

这个波段的光在空气里活不下来

两束独立产生的光叠出了清晰的条纹

· · ·

有回声不等于有节拍

光造出来了，还只是能看见。

2024 年 4 月，欧洲团队第一次用激光直接激发出钍-229 的核跃迁信号。

同年 7 月，美国加州大学洛杉矶分校的一个团队独立做出来。

9 月，美国标准计量界的一支团队用真空紫外频率梳配锶原子光钟，把这个跃迁的绝对频率测了出来。

激发和测频，两块拼图都齐了。

但拼图齐了不等于钟做出来了。

脉冲激光打过去，核跳一下，给出一个信号。

信号能说明核确实跳了，说明不了接下来跳得准不准。

钟要能连续跑，需要一个“闭环”。

每测一次信号，就知道激光频率偏了多少，然后立刻把它拉回来。

下一次再偏，再拉回来。

激光就这样被核死死拽住。

这中间还隔着一段路。

脉冲激光的线宽太宽，锁不住频率。

要先把光做成连续波，再把线宽压到 0.08 赫兹，才谈得上锁频。

2026 年 6 月初，两边几乎同时撞线。

欧洲那支团队 6 月 3 日提交，清华团队 6 月 7 日提交。

世界第一批核钟发出了连续的滴答声。

敲一下有回声，闭环才走得准

· · ·

两种解法

两边的解法不一样，难点也不一样。

欧洲那条路是高浓度。

掺钍的晶体光管直接吸收读出，核信号强，探测相对省事，但材料制备难。

清华这条路是低浓度加高功率。

团队手里只有 1.4 微克钍-229，全国就这点量，用完就没有了。

晶体的生长机会只有一次。

所以光源必须够强，读出必须够快。

强光源把功率推到 10 微瓦。

探测上，团队放弃了传统的荧光读出，改成“吸收光谱”直接探测。

荧光要等长寿命的核激发态慢慢退激发，太慢。

吸收读出不用等。

还有一条是团队自己搭的“多频率联动闭环”反馈控制系统。

单一激光锁频的模式在这里不够用。

结果是我国这台钟的秒级稳定度，比欧洲同期高接近一个数量级。

一边是料不够，一边是光不够亮

· · ·

羽毛和石头

为什么值得花这么大劲。

清华丁世谦打了个比方。

电子质量很轻，像一片羽毛。

周围任何风吹草动，一点电磁场波动、一点温度变化，都会让这片羽毛飘摇。

原子核又重又小，像一块石头。

欧洲那支团队的核心成员托尔斯滕·舒姆给过一个数字。

核跃迁对环境噪声的敏感度，比原子跃迁低 1000 到 10000 倍。

这一千倍的差距，是抗扰动的差距。

还有一层实打实的好处。

核不敏感，就可以把钍-229 掺进固体里，做成能搬运的“固态核光钟”。

极高精度的计时装置，终于有机会从实验室里拿出来。

再加上钍-229 的核跃迁对基本常数的变化格外敏感。

这台钟还能当探针用。

电子像羽毛，核像石头

· · ·

两个数字

数字得写清楚。

2026 年 8 月，美国一份官方技术评估指出，当前两支团队的核光钟原型运行都可靠，单日频率漂移对应的误差是 300 万年偏差 1 秒。

而目前最顶尖的传统原子钟，长期精度是 400 亿年误差不超过 1 秒。

300 万年和 400 亿年之间，差着一千多倍。

理论上的潜力是 10⁻²⁰ 量级甚至更高。

那是纸面上的数字，实测还没到。

核光钟现在也还是实验室原型。

体积庞大，运行条件苛刻。

光源效率、晶体质量、小型化、环境适应性，都还是接下来要攻的关。

第一次听到这消息会让人振奋。

跑起来才知道，这里面的活儿全是工程量。

现在全球有近十个团队在核钟的不同路线上并跑，有做固态核钟的，有做离子阱核钟的。

谁能最终胜出，还远没到揭晓的时候。

两座塔，中间隔着三个数量级

· · ·

比的方向变了

所以这件事怎么理解。

核光钟没有赢。

“光晶格钟”在 2026 年 3 月已经把不确定度做到 9.2×10⁻¹⁹，运行 300 亿年误差不超过 1 秒。

光钟是已经验证过的精密工具，核钟是充满潜力的新方向。

很长时间里两者会并存。

变的是比的维度。

以前比的是谁的漂移更小。

以后要比的是谁更抗干扰、谁能塞进卫星和机柜、谁能在野外连续跑上几个月。

抗扰和可集成这两条，比单纯追精度更早决定胜负。

光钟支撑着秒的定义、引力波探测和卫星导航。

核钟要在抗扰和便携上另开一条路。

两条路会并行跑很久。

· · ·

已经上路的其他分支

核光钟还卡在实验室里，“量子传感”的其他分支已经上路了。

一艘 29 米的水面船，在澳大利亚东海岸外的珊瑚海跑了 83 公里。

船上的量子重力仪全程不接卫星信号，靠测量局部重力的细微变化，去比对一张卫星重力图，把惯性导航的漂移压住。

结果是无辅助的惯性导航在终点偏了 14 海里，加上重力辅助之后是 2.2 海里。

整个航程里，位置误差被摁在 1 海里以内。

那份报告是 8 月 26 日挂上“预印本”网站的，还没有经过同行评审。

它写的是目前公开文献里，第一个完全不依赖卫星的重力地图匹配导航演示。

另一件更小的事。

中国科学技术大学彭新华团队做了一个铷-87 原子磁力计，传感头 7 立方厘米，整机功耗不到 5 瓦，一支铅笔那么大。

他们在城市街道上做实测，在地铁正上方的地面上，仪器分辨出了地下列车制动进站、停站、牵引出站的每一个阶段。

论文里也提到了潜艇探测。

那是作者列出的潜在应用。

公开的实验只有三项，地磁暴、地铁、埋在地下的磁棒。

水下没测过，探测距离和虚警率也没有数据。

这个传感器在灵敏度上并不领先。

SQUID 和 SERF 磁力计能做到比它好上千倍，可那些设备要极低温，或者要磁屏蔽。

它追的是另一件事。

7 立方厘米，5 瓦，能在地面的大磁场和震动里一直测下去。

这个体积能塞进无人机和浮标。

一台仪器能不能在真实环境里一直用下去，跟它在实验室里能测多细，是两个问题。

地面之上，地铁在地下

卫星被拿掉之后，还剩一张底下的地形图

· · ·

于是那个等式要改一改。

时间 = 原子外层电子的节拍

时间 = 原子核里的节拍

一颗原子核在毫米大的晶体里安静地跳着。

它跳得比电子慢，也比电子稳。

同一个问题的两种写法

这套东西管的是准。

那我们现在用的锁呢。

主要资料来源

《自然》，2026 年 10 月 7 日在线，A nuclear clock synchronized to Th-229（DOI 10.1038/s41586-026-11122-1） 《自然》，Xiao Q, Penyazkov G, Li X, et al.，Continuous-wave narrow-linewidth vacuum ultraviolet laser source 国家自然科学基金委员会，〈我国学者在钍-229 核光钟研制方面取得进展〉，2026 年 10 月 科技日报，〈核光钟 原子核里找到稳定节拍〉，2026 年 10 月 30 日 科技日报、光明日报，〈全球量子精密测量技术竞速升温〉，2026 年 10 月 22 日 中国物理学会期刊网，〈原子核开始滴答 核钟终于来了，它会取代光钟吗〉，2026 年 10 月 美国国家标准与技术研究院，核光钟技术评估，2026 年 8 月 《物理学报》，2026 年 9 月，7 cm³ 铷-87 量子磁力计与外场实测 arXiv 预印本 2608.25563，GNSS-free quantum gravity-aided navigation and fine-scale marine surveying，2026 年 8 月 26 日（未经同行评审） 中国科学院，〈画个圈圈找到你 简述北斗系统定位的原理〉

声明：本文内容仅代表作者个人观点，与本站立场无关。

如有内容侵犯您的合法权益，请及时与我们联系，我们将第一时间安排处理。