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(diǎn)100公里，是我國標(biāo)準(zhǔn)時間——“北京時間”生產(chǎn)、保持、發(fā)播的地方，被錢學(xué)森先生譽(yù)為“中國的一面大鐘”。

工作人員在中國科學(xué)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?nèi)粘Ｉ钪械氖录Ｏ乱淮螘h是什么時候？差多少分鐘沒能趕上飛機(jī)？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(zhǔn)，他們研究的“時間”，不僅事關(guān)國家安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的戰(zhàn)略資源，更是國家話語權(quán)的體現(xiàn)。

中國科學(xué)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(xué)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(chuàng)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(qū)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(guān)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(zhuǎn)產(chǎn)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?！币馑际堑蹐蛎铘耸虾秃褪?，嚴(yán)肅謹(jǐn)慎地遵循天數(shù)，推算日月星辰運(yùn)行的規(guī)律，制定出歷法，把天時節(jié)令告訴人們。這是最早的“授時”。但是近代以來，我國標(biāo)準(zhǔn)時間的產(chǎn)生和傳遞，曾長期被外國人主導(dǎo)并把持。一個國家能否研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的原子鐘，不僅代表著相關(guān)領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)時間專用短波授時臺正式發(fā)播，標(biāo)志著我國具備了自主可控的、全國土覆蓋的、連續(xù)可用的陸基無線電授時能力。緊接著，大批的建設(shè)者從各地涌向陜西，為建設(shè)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(tài)量子轉(zhuǎn)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(xué)成回國后，來到位于陜西的國家授時中心，主持原子鐘研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)時間研究。7年之后，張首剛團(tuán)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(xù)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(xiàn)了國家標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生的自主校準(zhǔn)。

經(jīng)過多年發(fā)展，國家授時中心量子頻標(biāo)研究室已擁有近百名中青年科研人員，并發(fā)展成為中國科學(xué)院重點(diǎn)實驗室，不僅自主研制出了國際先進(jìn)的基準(zhǔn)型銫原子噴泉鐘，還在2018年實現(xiàn)了守時型光抽運(yùn)小銫鐘的產(chǎn)品化。

應(yīng)用廣泛的便攜化小銫鐘產(chǎn)品，此前50多年都被美國獨(dú)家壟斷。2017年，小銫鐘產(chǎn)品陸續(xù)對華禁售。如今這款國產(chǎn)小銫鐘不僅已應(yīng)用在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、長河二號導(dǎo)航系統(tǒng)、5G通信系統(tǒng)以及北極科考等任務(wù)中，也裝備在國家標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生與保持系統(tǒng)。2021年11月，三臺國產(chǎn)小銫鐘在國際標(biāo)準(zhǔn)時間計算中取得貢獻(xiàn)權(quán)重，并被國際權(quán)度局推薦給各國用于標(biāo)準(zhǔn)時間的產(chǎn)生。

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以及人工智能和信息社會的進(jìn)步，傳輸?shù)拇髷?shù)據(jù)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(xiàn)這一目標(biāo)，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(dāng)今定義標(biāo)準(zhǔn)時間的原子時鐘高出近40倍。該量子邏輯時鐘每經(jīng)過36.8億年才有1秒鐘的誤差，而2019年的改進(jìn)版所具有的精度更加令人震驚：每經(jīng)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(lǐng)研究團(tuán)隊，在位于國家授時中心園區(qū)內(nèi)的氫脈澤和位于驪山天文臺的銣鐘之間進(jìn)行雙向量子同步的現(xiàn)場測試，通過多種前沿技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)了經(jīng)由50公里光纖傳輸?shù)碾p節(jié)點(diǎn)糾纏，并演示了經(jīng)由22公里外場光纖的雙節(jié)點(diǎn)糾纏。該工作得到國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》審稿人的高度評價，認(rèn)為“該結(jié)果是向?qū)崿F(xiàn)量子中繼方向邁出了重要一步”。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，百萬分之一秒的時間測量誤差，就會導(dǎo)致300米的測距偏差?？茖W(xué)發(fā)展中國的航空航天、量子信息、地球科學(xué)、射電天文、高能天體物理、空間天氣等學(xué)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(xiàn)高精度空間時間基準(zhǔn)，是當(dāng)前世界科技發(fā)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(yùn)載火箭，在文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火發(fā)射。約8分鐘后，“夢天”實驗艙與火箭成功分離并進(jìn)入預(yù)定軌道。國家授時中心聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所一起組織國內(nèi)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(nèi)最重要、最復(fù)雜的科學(xué)實驗系統(tǒng)之一，高精度時頻科學(xué)實驗系統(tǒng)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(tǒng)等13臺單機(jī)組成，在空前時間頻率產(chǎn)生運(yùn)行系統(tǒng)中居于世界領(lǐng)先地位。

有了這個實驗柜，天宮空間站時頻實驗系統(tǒng)將融合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、在建地基授時系統(tǒng)和現(xiàn)有的授時系統(tǒng)。國家授時中心首席科學(xué)家張首剛預(yù)計，五年內(nèi)，國家授時中心將建成世界上獨(dú)一無二的天地融合、立體交叉的國家授時系統(tǒng)。

數(shù)十年來，中國科學(xué)院國家授時中心幾代科研人員共同努力，從地表作業(yè)到進(jìn)入太空，14次在關(guān)鍵技術(shù)上實現(xiàn)“從0到1”的突破。

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

與世界同步的北京時間，自此不再讓世界小覷！