近期，全球量子精密測量領域接連迎來標志性進展。中國清華大學團隊與歐洲多國聯合研究團隊幾乎同期在《自然》雜志發表核光鐘研究成果，分別通過不同技術路徑實現了釷-229核光鐘的穩定閉環運行，這是人類首次將可運行的計時基准從原子外層電子能級深入到原子核內部。

奧地利維也納工業大學原子物理學家、歐洲團隊主要成員托爾斯滕·舒姆坦言，制造出核光鐘是“夢想成真”。這一領域在不久前還是一個“平靜的小眾領域”，“現在我們有了激烈但友好的全球競爭”。

核光鐘精度有望超過原子鐘

長期以來，現代科技體系的時間基准由原子鐘提供，依靠原子外層電子的能級躍遷計時，支撐著衛星導航、電力通信、深空探測等領域的精准運行。但電子能級易受溫度、磁場、電磁脈沖等外界環境干擾，其精度已經逐步逼近理論天花板。核光鐘以原子核的能級躍遷作為“節拍器”，原理上受外界干擾更小，有望實現比現有頂尖原子鐘更高的精度與穩定性，因此成為全球計量與物理界共同攻關的前沿方向。

2024年，包括美國國家標准技術研究院（NIST）在內的3個研究團隊報告稱，他們使用激光觸發釷核內的時鐘轉變。此前，這些跳躍的能量僅被間接測量。物理學家首次直接觀測到核躍遷信號，完成了從理論預言到實驗驗証的跨越，但當時尚未實現閉環鎖定的連續計時。

2026年，技術攻關進入集中收獲期。6月，由維也納工業大學、德國聯邦物理技術研究院等機構組成的歐洲團隊發布預印本，搭建了帶反饋回路的釷-229光學核鐘﹔10月，清華大學團隊與歐洲團隊幾乎同期在《自然》發表正式成果，二者分別採用不同技術路線實現了核光鐘的穩定閉環運行：歐洲團隊採用高濃度釷晶體光管吸收讀出方案，中國團隊採用自主研制的148納米真空紫外激光與低濃度摻釷氟化鈣晶體方案，在秒級穩定度指標上各有突破。

以色列魏茨曼科學研究所理論物理學家吉拉德·佩雷斯同期評論這兩項工作時表示，核光鐘已經從一個 “有潛力的系統”，發展成為“一台可用的精密儀器”，能夠用於探索新的物理學。在他看來，這只是該領域加速發展的起點。

NIST在8月發布的官方技術評估中指出，當前兩支團隊的核光鐘原型運行均具有可靠性，單日頻率漂移對應的誤差約為300萬年偏差1秒，但仍未超越目前最頂尖的傳統原子鐘的長期精度每400億年誤差不超過1秒。真空紫外激光效率提升、晶體材料優化、系統小型化與環境適應性提升，都是各國團隊下一步共同攻關的核心方向。

競爭焦點轉向“能不能用”

核光鐘的密集突破，只是全球量子精密測量領域競爭的一個縮影。作為量子科技三大核心方向之一，量子精密測量利用量子態的特性實現對物理量的超高精度測量，覆蓋時間、重力、磁場、電流、慣性等多個維度，被稱為“量子級的尺子”，正從基礎研究逐步走向資源勘探、防災減災、國防軍工、高端制造等實體應用場景。

全球主要科技國家均已將量子精密測量上升到戰略競爭領域。例如，量子重力儀可用於地下資源勘探和地質監測場景。美國AOSense公司研發的高精度量子重力設備中，部分產品已進入工程化階段，美國國家航空航天局和能源企業是其重要用戶。歐盟通過“量子旗艦計劃”，擬於2030年前投入10億歐元，整合多國科研力量推動量子傳感技術的商業化應用，在量子磁力儀、原子干涉儀領域形成較強的產業轉化能力。日本、韓國也相繼出台專項戰略，強化量子精密測量技術的研發與出口管制。

競爭的焦點正逐步從“能不能測”轉向“能不能用”。在時間頻率領域，除了前沿的核光鐘探索，光晶格鐘等成熟技術路線也在持續迭代。中國科學技術大學團隊研發的鍶原子光晶格鐘，穩定度和不確定度均突破10-19量級，躋身國際先進梯隊，為國際單位制“秒”的重新定義提供了中國數據。

量子控制企業Q-CTRL首席執行官邁克爾·比爾庫克表示，量子傳感是量子技術領域裡最貼近商業化的分支，也是“近期最大贏家”。

美國斯坦福大學胡佛研究所於今年7月發布的《量子革命：盟友政策制定者的指南》顯示，在量子計算、量子通信、量子精密測量三大方向中，作為量子精密測量核心應用形態的量子傳感，商業化路徑最短。

應用轉化處於關鍵期

整體來看，全球量子精密測量仍處於基礎研究向應用轉化的關鍵階段。即便是進展最快的核光鐘，目前也還只是實驗室原型裝置，體積龐大、運行條件苛刻，后續的小型化、低功耗、環境適應性工程化攻關，以及星載、車載、艦載等場景適配，都是各國下一階段共同面臨的核心挑戰。而在高端量子傳感器芯片、核心光電器件等上游環節，全球產業鏈都存在不同程度的短板。

清華大學副教授丁世謙表示，這次突破為導航和通信設備中實現緊湊且堅固的光學時鐘開辟了可能的道路。舒姆表示，使用晶體的核光鐘已經在商業化開發中。

“此前，用於容納釷-229所需的透明晶體在技術上要求高且生產成本高，這給任何實際應用帶來了真正的限制。”英國曼徹斯特大學理論化學講師哈裡·摩根在核光鐘研究評論中指出，“這一新方法是核光鐘未來的重要進步，毫無疑問，這種裝置是可行的，甚至可能比任何人預期的更接近。”

NIST的“NIST on a Chip”計劃體現了這一轉向：將原本只能在國家級計量實驗室實現的高精度測量能力，壓縮到芯片級設備中，推向工廠、醫院、野外等真實場景。

在這場全球競速中，中國憑借完整的工業體系、持續的科研投入和廣闊的應用市場，已成為重要的參與者。在時間頻率、量子磁力儀、量子電流傳感等細分方向，中國科研團隊的成果處於國際第一梯隊，同時也在加快工程化轉化和產業生態構建。隨著各國投入持續加大，量子精密測量領域的技術迭代與產業落地有望進一步加速，為全球科技發展帶來新的底層動力。（記者 姚易安）