重塑“秒”的定义：日本“光晶格钟”，有望广泛应用，开创新的未来

这款终极时钟由兼任理化学研究所团队主任等职的东京大学研究生院教授香取秀俊研发，是一项有望广泛应用于社会各个领域的“日本原创”的最尖端技术。

将锶原子封入超微小“光晶格”中

现代人认为，古时候的人们是通过太阳和月亮的运动来辨识季节变化的。随着文明的进步，16世纪意大利人伽利略·伽利雷发现单摆是按一定周期摆动的。受到这个发现的启发，荷兰人克里斯蒂安·惠更斯发明了单摆钟。之后，使用发条的机械钟和借助石英振动的石英钟面世，并得到推广。据说精确度最高的石英钟精度为100年误差1秒。

20世纪后半叶，以原子振动频率为标准的原子钟诞生。过去的1秒是由地球围绕太阳公转的时间推导出来的，而到了1967年，原子质量为133的铯原子钟成为了定义1秒的国际标准。原子跃迁至不同能量状态时会吸收、释放特定频率的无线电波和光子。这种无线电波或光子的频率像钟摆一样被视为时间的基准。这就是原子钟。精确地说，就是把铯原子基态“超精细跃迁”状态变化时，对应微波振动 ‌9192631770 次所持续的时间，定义为1秒。目前据说最精确的铯原子钟6000万年误差1秒，相对精度约为1×10⁻¹⁵。

光晶格钟更是将原子钟的精度提高了一个数量级，其误差已经超出了人类感知的想象范围。这是利用光子的新一代时钟，而光子的频率比铯原子钟中使用的微波高出一个数量级。频率越高，时间就越精确，所以时钟的精度将会实现飞跃式的提升。

另一个特点是使用锶原子。要测量锶原子吸收和释放的光子的频率。具体来说，通过干涉被称为“魔术波长”的特定波长的激光，创建出一个形状如鸡蛋容器、名为“光晶格”的超小空间。然后将大约100万个冷却的锶原子逐一封入光晶格中。然后以激光束照射到这100万个原子上并精确测量它们吸收振动的平均频率来确定1秒的时间长度。

展现光晶格钟如何捕捉单个原子的模型，2022年8月，位于东京都小金井市的信息通信研究机构（时事社）

2001年提出后受到全球关注

香取教授于2001年首次提议这种光晶格钟，引起了全世界的关注。特别值得一提的是，它在使用大量原子的同时，成功地抑制了原子之间相互作用引起的误差。过去关于高精度时钟的研究工作曾面临一个重大挑战，那就是由于原子之间会相互碰撞导致误差，所以只能使用少量原子。

香取教授率领的研究团队在测量高精度频率方面不断取得成功，开始被国际社会赞誉称将对“重新定义秒”发挥重要作用。早在2006年，它就被选为新一代时钟的候选者。然而，最初的光晶格钟只是实验室里的大型设备。为此，研究团队又开始着手研发“可搬运式光晶格钟”。

经过不断努力，研究团队于2014年11月宣布，他们已成功将该设备的容量从原来的约920升缩小到250升左右。朝着“商用化”目标迈出了重大的一步。岛津制作所和日本电子株式会社也参与了该研究项目。

近期，香取教授和他的同事公布了一项震惊世界的实验结果。 该团队2020年4月研发出了可搬运式光晶格钟，并依据广义相对论通过测量高度差来证实了其性能，这可谓是小型化的第一步。当时发布的信息显示，该团队缩小并整合了此前固定在实验室中的光学设备和控制设备，研发了新的可搬运式设备。然后将该设备分别放置在东京晴空塔底层和展望台，测量了两个位置显示的时间流逝方式的差异。最后确认，展望台的时间流逝速度每天比地面快 4.26 纳秒（1纳秒是十亿分之一秒）。可搬运式光晶格钟展现出了足以媲美传统实验室设备的性能。

光晶格钟研发者、东京大学研究生院教授香取秀俊在与国际计量局就重新定义秒的问题达成共识后召开记者会，2026年5月12日，川崎市（时事社）

进化成300亿年误差1秒的终极时钟

按照爱因斯坦的广义相对论，时间在海拔较低、重力较大的地方流逝速度慢于海拔较高的地方。光晶格钟可以测量出极其细微的时间变化，因而可以应用于测量高度差。 香取教授等研究人员开展的这项实验被称赞为“通过东京晴空塔仅有的450米高度差，实现了可以与过去利用人造卫星进行的太空实验相媲美的精度来验证广义相对论”。

2015年2月，香取教授率领的研究团队发布消息称，激活了两个光晶格时钟，两个时钟之间的偏差为“160亿年1秒”。相当于就算从宇宙诞生以来的138亿年一直在运转，到如今误差也只有1秒左右。当时的精度已经是超乎想象，而最新的设备更是达到了18位数的精度，因此被形容为“300亿年1秒”的精度。这简直是一种让人难以想象的“终极时钟”。

2025年3月，曾与东京大学和理化研究所一道为2024年公布的光晶格钟小型化研究成果做出了贡献的岛津制作所宣布将发售超高精度商用光晶格钟。这是该技术在全球首次实现商用化。该款时钟宽114厘米，高109.3厘米，深65厘米。性能为“100亿年误差1秒”，当时的建议售价为5亿日元（含税），销售目标为3年10台。

取得这些足以证明“实用化”可能性的业绩后，岛津制作所和理化学研究所于今年 5 月 12 日签署了一份谅解备忘录，将与计划在2030年重新定义秒的国际计量局 (BIPM) 合作研究和实证光晶格钟。尽管欧美提议和研发的“单离子钟”也被列为重新定义秒的候选基准，但光晶格钟具有出色的稳定性，被认为是重新定义秒的有力候选者。

该备忘录的签署，作为有望推动光晶格钟获选的事件而备受关注。据相关人士透露，在签字仪式后举行的记者会上，香取教授表示，“但愿能够通过提供时间比较工具来尽快实现重新定义”。

有望应用于地震和火山喷发研究

在此重新介绍一下香取教授的职业经历。 他1988年毕业于东京大学工学系物理工学科，历任德国马克斯·普朗克量子光学研究所客座研究员、东京大学工学系副教授、科学技术振兴机构（JST）战略性创造研究推进事业CREST研究代表等职，2010年任东京大学研究生院工学研究科教授。2013年获得仁科纪念奖，2015年获得日本学士院奖，2022年获得本田奖（本田财团主持），被视为诺贝尔奖的有力候选人。

2022年11月17日在东京举行的本田奖颁奖典礼上，香取教授发表了题为《以好奇心驱动的科学 开创未来》的纪念演讲。在演讲的开头，他表示说：“上了年纪之后，我产生了希望利用这种（光晶格）技术留下对人类和社会有用的成果这样一种想法。”

事实上，香取教授提出的这项划时代技术的意义不仅仅是有可能改变目前秒的定义。其伟大之处还在于可能带来新技术的溢出效应。

正如东京晴空塔的实验所证明的那样，超高精度时钟可以测量细微的高度差异。换句话说，“只要放置时钟就可以知道高度”。这项技术被称作“相对论测地学”，例如光晶格钟的超高精度可以精确测量仅有几厘米的高度差。

我们知道，火山爆发前，岩浆会上升，可以看到山体轻微扩张等变化。不仅是火山的微小变化，就是在与地震活动相关的地壳运动方面，也可以捕捉到过去很难通过常规测量方式来探察的细微变化。换句话说，把光晶格钟作为“超高精度位置测量仪”，通过部署多台设备或将它们联网，就可以运用于完善地壳运动监测系统，以及持续监测火山活动等领域。

除了作为和地震、火山相关的防灾技术外，其作为与我们日常生活和社会基础设施密切相关的技术也同样受到关注，例如空间观测和探索、卫星定位系统（GPS）的发展、新一代通信技术和自动驾驶，等等。终极时钟不再只是时间测量装置，它正在变成一种观察地球和宇宙的观测装置。

利用东京晴空塔开展的光晶格钟实验概要（香取秀俊教授提供）

“这项研究已经进展到可以用来回馈社会的地步”

在本田财团主办的与东京大学名誉教授村上阳一郎的对话活动中，香取教授说道：“当我最初开始寻找研究课题时，我考虑的是‘我想做不涉及竞争的研究，而且是有意思的，我们能乐在其中的研究’。这就是我的出发点。但是，我们不能做无用的研究。我想，如果我们现在做基础研究，20年后应该已经产生了有用的萌芽”。我认为最好的状况是，20年后，研究已经进展到可以用来回馈社会的地步。”

提高时钟的精度可以直接促进社会基础设施的进步，未来的社会不能缺少精确的时间测量技术。香取教授首创的超高精度光晶格钟技术就承载着人们这样的期待。

标题图片：岛津制作所生产的全球首款商业化光晶格钟“AetherClock OC 020”，3月5日，京都府精华町（时事社）

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