國家授時中心：調校中國的一面大鐘

從陜西省渭南市蒲城縣城西行約3公里的楊家莊，有4根高聳的電線桿，被人們稱為“326”或“天文臺”。這里離中國大地原點100公里，是我國標準時間——“北京時間”生產、保持、發播的地方，被錢學森先生譽為“中國的一面大鐘”。

工作人員在中國科學院國家授時中心銫原子噴泉鐘實驗室工作

時間決定了我們日常生活中的事件。下一次會議是什么時候？差多少分鐘沒能趕上飛機？比賽什么時候開始？我們用小時、分鐘和秒來衡量事件的時間。

然而，對于身處陜西腹地的一群科研人員來說，對時間的把握更為精準，他們研究的“時間”，不僅事關國家安全和經濟運行的戰略資源，更是國家話語權的體現。

中國科學院國家授時中心（以下簡稱“國家授時中心”）的前身為中國科學院陜西天文臺，始建于陜西蒲城縣城西北金幟山唐憲宗景陵附近，也是在那里創建了新中國第一個短波授時臺，工程代號“326”。今天，這里成為國家授時中心授時部，而在距離它100公里之外的西安市臨潼區書院東路3號被稱為國家授時中心“臺本部”的地方，更為縝密的關于時間的研究正在全面鋪開。

古人最早以“日出而作，日入而息”，也就是以地球自轉產生的晝夜變化來判定時間；《尚書·堯典》中記載：“乃命羲和，欽若昊天，歷象日月星辰，敬授民時。”意思是帝堯命令羲氏和和氏，嚴肅謹慎地遵循天數，推算日月星辰運行的規律，制定出歷法，把天時節令告訴人們。這是最早的“授時”。但是近代以來，我國標準時間的產生和傳遞，曾長期被外國人主導并把持。一個國家能否研制出擁有自主知識產權的原子鐘，不僅代表著相關領域的科研實力，也代表著保障國家安全的能力與水平。

1971年，國家標準時間專用短波授時臺正式發播，標志著我國具備了自主可控的、全國土覆蓋的、連續可用的陸基無線電授時能力。緊接著，大批的建設者從各地涌向陜西，為建設更高精度的無線電長波授時臺扎下根來……

1秒鐘，是手表秒針的一聲“嘀嗒”。在秒以下，時間單位按千分之一逐級遞減，分別是毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒、仄秒等。例如1納秒，就是1秒鐘的十億分之一。國際上對“秒” 的定義是基于銫-133原子的基態量子轉變的頻率，即每秒超過90億次“嘀嗒”。

2005年，一位叫張首剛的青年，海外學成回國后，來到位于陜西的國家授時中心，主持原子鐘研發與標準時間研究。7年之后，張首剛團隊自主研制出國家授時中心第一臺銫原子噴泉鐘；2018年和2022年，第二、第三臺銫原子噴泉鐘相繼被研制出來。隨著性能的持續提升，銫原子噴泉鐘精度從10-15量級提升至10-16量級，從而實現了國家標準時間產生的自主校準。

經過多年發展，國家授時中心量子頻標研究室已擁有近百名中青年科研人員，并發展成為中國科學院重點實驗室，不僅自主研制出了國際先進的基準型銫原子噴泉鐘，還在2018年實現了守時型光抽運小銫鐘的產品化。

應用廣泛的便攜化小銫鐘產品，此前50多年都被美國獨家壟斷。2017年，小銫鐘產品陸續對華禁售。如今這款國產小銫鐘不僅已應用在北斗衛星導航系統、長河二號導航系統、5G通信系統以及北極科考等任務中，也裝備在國家標準時間產生與保持系統。2021年11月，三臺國產小銫鐘在國際標準時間計算中取得貢獻權重，并被國際權度局推薦給各國用于標準時間的產生。

隨著5G網絡的建設以及人工智能和信息社會的進步，傳輸的大數據對各種智能移動終端的時間同步提出了更高的要求。為了實現這一目標，我們需要一個比銫更快的計時源。量子時鐘就成為世界上最精確的計時工具，它的精度比當今定義標準時間的原子時鐘高出近40倍。該量子邏輯時鐘每經過36.8億年才有1秒鐘的誤差，而2019年的改進版所具有的精度更加令人震驚：每經過337億年才有1秒鐘的誤差。

2020年，張首剛和研究員董瑞芳帶領研究團隊，在位于國家授時中心園區內的氫脈澤和位于驪山天文臺的銣鐘之間進行雙向量子同步的現場測試，通過多種前沿技術的結合，實現了經由50公里光纖傳輸的雙節點糾纏，并演示了經由22公里外場光纖的雙節點糾纏。該工作得到國際著名學術期刊《自然》審稿人的高度評價，認為“該結果是向實現量子中繼方向邁出了重要一步”。

在衛星導航系統中，百萬分之一秒的時間測量誤差，就會導致300米的測距偏差。科學發展中國的航空航天、量子信息、地球科學、射電天文、高能天體物理、空間天氣等學科研究，都需要高精度時間頻率信號來支撐。

把比微波原子鐘精度更高的光鐘送上太空，實現高精度空間時間基準，是當前世界科技發展的前沿。

2022年10月31日，搭載“夢天”實驗艙的長征五號B遙四運載火箭，在文昌航天發射場點火發射。約8分鐘后，“夢天”實驗艙與火箭成功分離并進入預定軌道。國家授時中心聯合中國科學院上海技術物理研究所一起組織國內十余家單位共同研制的高精度時頻實驗柜，隨“夢天”實驗艙一起順利升空。

作為“夢天”實驗艙內最重要、最復雜的科學實驗系統之一，高精度時頻科學實驗系統由包括全球首臺時空光鐘、全球首臺空間超窄線寬激光器、全球首套具有微波和激光雙鏈路的低軌航天器時間頻率比對系統等13臺單機組成，在空前時間頻率產生運行系統中居于世界領先地位。

有了這個實驗柜，天宮空間站時頻實驗系統將融合北斗導航系統、在建地基授時系統和現有的授時系統。國家授時中心首席科學家張首剛預計，五年內，國家授時中心將建成世界上獨一無二的天地融合、立體交叉的國家授時系統。

數十年來，中國科學院國家授時中心幾代科研人員共同努力，從地表作業到進入太空，14次在關鍵技術上實現“從0到1”的突破。

日前，國家授時中心承擔的國家“十三五”重大科技基礎設施“高精度地基授時系統”研制建設，完成了西安至太原段1839公里雙纖雙路時間傳遞系統的設備安裝和性能測試。結果表明，我國建成了全球首個十皮秒級穩定度的千公里光纖時間傳遞工程應用系統。

與世界同步的北京時間，自此不再讓世界小覷！