核計時器連續運作超過一天
維也納的一具原型鐘連續超過 24 小時讓雷射與釷原子核保持同步，期間無須人工介入；北京的另一支獨立團隊則以更強的紫外雷射展示了類似的時鐘，並只用 1.4 微克的釷 229 培育其中一枚晶體。這兩項成果於 2026 年 10 月 7 日刊登於《自然》，讓核鐘從測量一種前景看好的原子核，邁向能自行調節計時節奏的裝置。
目錄
由維也納工業大學（TU Wien）的 Thorsten Schumm，以及德國國家計量研究機構 PTB 的 Ekkehard Peik 領導的歐洲合作團隊，在平均一天後達到接近千兆分之一的頻率不穩定度。由清華大學 Shiqian Ding 領導的中國團隊則報告了較小的不穩定度係數；依照研究所採用的平均時間關係，這代表穩定度約高出六倍。
兩具原型都還沒有超越最佳光學原子鐘。真正的突破在於，核躍遷如今能提供回饋訊號，控制一具實際運作的時鐘。維也納團隊已利用這項能力搜尋超輕暗物質，雖未發現訊號，卻為某些假設的交互作用設定了限制。
在核鐘公告中，維也納工業大學介紹了一套系統：當釷原子核的反應改變時，系統會自動修正雷射頻率。該校原子與次原子物理研究所教授 Schumm 說明了核心目標：
真正想要的是一具能自我穩定的核鐘。
這項差異使這些示範有別於早期實驗：先前研究雖能激發釷原子核或測量其躍遷頻率，卻仍仰賴外部時鐘來穩定光線。
釷 229 有何不同？
光學原子鐘以電子能階之間的躍遷作為頻率基準。核鐘則把這個基準移至原子核內，讓質子和中子在不同量子態之間躍遷。兩種時鐘都以光的規律振盪作為滴答聲，再由選定的躍遷讓雷射維持在正確頻率。
大多數核躍遷所需的能量遠超傳統雷射可提供的範圍。釷 229 是目前唯一已知、其躍遷能以現有雷射技術直接觸發的原子核。它有一個異常低能量的激發態，稱為同核異能態，能量約比基態高 8.4 電子伏特；相當於波長接近 148 奈米的紫外光。
這種光落在真空紫外線範圍，難以產生和操作。如何在這個波長產生足夠穩定、頻率範圍夠窄的雷射，是兩支團隊面對的核心工程挑戰之一。
「核」鐘並不表示時鐘靠反應爐、核分裂或核融合運作。釷 229 具有放射性，但它的衰變不是計時機制；時鐘利用雷射光探測原子核內的躍遷。
原子核的體積比原子小一萬倍以上，且部分受到周圍電子屏蔽。一般而言，原子核對外部電場和磁場擾動的反應較弱，因而有望成為更穩定的頻率基準。目前的實驗也顯示，把原子核嵌入晶體，並不能消除所有環境效應。
晶體如何校正雷射
兩支團隊都將釷 229 嵌入氟化鈣晶體，並以接近 148.4 奈米的連續雷射光照射。當光線頻率符合選定的核躍遷時，原子核便會吸收光線。偵測器測量透射光，研究人員據此判斷雷射是否已偏離共振頻率。
接著，電子回饋迴路會調整雷射頻率，使其回到正確位置。原子核不再只是被測量的對象，它的反應會引導產生時鐘訊號的振盪器。
由 Luca Toscani de Col 領導的歐洲團隊，在維也納核鐘論文中說明，團隊利用吸收光譜法快速回饋；裝置採用一枚僅數毫米寬、可在室溫下運作的晶體。獨立的光學共振腔提供短時間尺度的穩定性，核躍遷則校正較長時間的漂移。
吸收訊號很重要，因為等待受激原子核發光可能耗時較久。維也納論文指出，與螢光偵測相比，吸收法每秒可提供約一千倍的訊號光子。如此便能在短於激發態壽命的時間尺度內進行校正，也能更快搜尋躍遷變化。
兩座實驗室，不同的工程選擇
歐洲合作團隊成員來自德國、奧地利和捷克。北京團隊則由清華大學、北京量子資訊科學研究院及中國各地的合作研究人員組成；中國研究的作者名單以 Beichen Huang 為首。
維也納使用釷濃度較高的晶體；北京則以大幅提高雷射功率，彌補同位素供應有限的問題。兩種方法都在處理同一個難題：取得足夠的有效吸收訊號，判斷雷射頻率與核共振相差多遠。
清華團隊在核鐘論文中介紹一種光源，透過在鎘蒸氣中結合雷射場產生 10 微瓦的紫外光，其中約 5 微瓦抵達晶體前表面。歐洲設備則採用不同的非線性轉換方法，使用四硼酸鍶晶體。
北京團隊改良後的氟化鈣晶體，由只含 1.4 微克釷 229、活度為 10 千貝克的溶液培育而成。活度衡量的是放射性衰變數，不是時鐘滴答次數。論文指出，同位素稀缺，使晶體生長幾乎沒有重複嘗試、逐步改善的空間。
清華大學物理學家 Shiqian Ding 表示，兩支團隊獨立完成示範，能讓人更有信心相信核鐘概念可適用於不同技術設計：
我們獨立進行研究，並在同一時期以不同實驗方法，讓釷 229 核鐘實際運作。我認為這非常令人振奮，因為它顯示這個概念具有穩健性，不依賴某一種特定的技術實作方式。
兩支團隊都計畫改善系統，並結合兩種方法的成果。更多原子核和更多可用的紫外光，或許能一起提供比單靠任一優勢更強的訊號。
原型的精確度如何？
維也納論文報告的分數頻率不穩定度為 3 × 10^-12 除以平均時間（秒）的平方根；中國論文則依相同的尺度關係報告 5 × 10^-13。兩者係數相除為六，這也是比較兩具時鐘時所說的倍數差異。
頻率不穩定度描述時鐘在測量期間速率波動的程度；透過平均，可降低隨機波動。準確度則回答另一個問題：排除偏差後，測得的頻率與正確值有多接近。再現性則是看重複實驗或改用另一枚晶體，能否得到相同結果。
西班牙計量中心機械量與工程部主任 Dolores del Campo Maldonado 指出，中國時鐘在短時間尺度上穩定度較佳，而奧地利實驗則與鐿鐘進行比較，兩者各有優勢。這些結果都不能證明它們在所有指標上勝過最佳原子鐘。
各項報導換算成累積時間誤差時，數字並不一致。維也納工業大學根據接近 10^-15 的精度，給出的估算是每 3,000 萬年誤差約一秒。另一項報導則估算，歐洲時鐘約每 300 萬年誤差一秒，中國裝置約每 1,900 萬年誤差一秒。較早對中國成果的描述指出，平均一天後的不穩定度接近 10 兆分之一；最終論文則報告，在測量區間內經平均後達到 10^-15 的量級。
這些數字不應被視為可互換的絕對準確度保證。最可靠的比較方式，是依據已發表的不穩定度測量值及其平均條件。目前光學原子鐘仍領先，據報性能相當於數百億年誤差一秒；其中一個鐿鐘實例的估算為 230 億年。
晶體仍會影響結果
維也納研究發現，不同日期的頻率測量再現性僅約為 5 × 10^-13，表現不如連續運作期間達到的不穩定度。每次實驗前都必須重新校準雷射，因此雷射光路會略微經過晶體的不同位置。
在不同位置測量時，研究人員發現躍遷中心頻率最高相差 1.7 千赫。他們懷疑原因是晶體結構不均造成局部應變。在同一位置重複測量，結果則具有再現性，支持了控制雷射穿過材料路徑的必要性。
北京團隊測試了兩枚分別製作的晶體。兩者測得的躍遷頻率相差約 560 赫茲，對應的分數差異為 2.8 × 10^-13，不確定度為 0.6 × 10^-13。考量合併不確定度後，兩者也都與美國 JILA 先前在其他氟化鈣晶體上所做的測量結果相符。
中國團隊的裝置控制了溫度波動，並採用磁屏蔽。改良後的晶體可透射 7% 的紫外光，先前的晶體則約為 1%。再加上偵測器改良與更強的吸收訊號，這些進展大幅降低了測量雜訊。
日本國家計量研究所的 Akio Kawasaki 指出，外部電場是時鐘不確定度的重要來源。核躍遷能抵禦這類擾動，但原型結果也顯示，材料品質、溫度控制和頻率偏移的審慎評估仍不可或缺。
搜尋暗物質，沒有探測到訊號
維也納團隊透過穩定的光纖連線，將核鐘與奧地利聯邦計量與測繪局的鐿離子鐘進行比較。實驗持續約 23 小時，搜尋兩鐘頻率比的週期性變化和緩慢漂移，涵蓋約 20 秒至一天的時間尺度。
某些理論預測，超輕暗物質可能造成基本常數極微小的振盪。核躍遷和電子躍遷的反應不同，因此比較兩具時鐘可作為有效檢驗。實驗未發現具統計顯著性的週期訊號，測得的緩慢漂移也與零相符。
未發現訊號，使團隊得以限制暗物質與光子、強核力及夸克質量之間可能存在的交互作用。對光子的限制與同類領先原子鐘的結果相當。至於某些強核力和夸克交互作用，論文報告的靈敏度在受測參數範圍內，比先前原子鐘實驗深入 10 至 1,000 倍。
釷的優勢來自其特殊的能量平衡。數值大得多的電磁和核力貢獻幾乎互相抵銷，留下僅 8.4 電子伏特的微小躍遷。因此，這些貢獻只要稍有變化，就可能使時鐘頻率相對大幅改變。
海德堡馬克斯普朗克核物理研究所研究員 José R. Crespo López-Urrutia 估計，對某些假設的暗物質效應，靈敏度可能接近最佳光學原子鐘的 10,000 倍。這指的是對特定效應的潛在反應，並不代表計時能力全面提升，也不代表已探測到暗物質。他透露自己過去曾與部分作者團隊合作，但未直接參與這些研究。
維也納論文也提醒，由於部分核參數仍未知，目前還無法計算精確的靈敏度倍數。研究結果限制的是特定模型和交互作用，並非所有可能的暗物質形式。
實用核鐘的研發里程碑
最新成果是在多年研究之後取得的；此前的工作逐步確認激發態存在、找出其能量，並研發合適的雷射。Schumm 表示，他的團隊自 2008 年起便致力於核鐘研究。Peik 與 Christian Tamm 則於 2003 年提出釷核鐘構想。
- 2016 年：根據維也納論文的歷史回顧，研究人員透過衰變過程證明釷同核異能態的存在。
- 2019 年 9 月 12 日：維也納工業大學介紹兩項提升躍遷知識的實驗，當時尚未有可運作的時鐘。
- 2024 年 4 月：維也納工業大學與 PTB 合作團隊以雷射光直接驅動釷核躍遷。
- 2024 年秋季：研究人員將釷激發裝置與傳統光學原子鐘連接。
- 2025 年：連續紫外雷射光源和吸收測量，讓研究人員得以持續探測躍遷。
- 2026 年 10 月 7 日：兩篇《自然》論文報告了具備回饋功能的核鐘已可運作。
維也納工業大學的2019 年里程碑公告詳述一項間接測量：研究人員利用鈾 233 衰變產生釷離子，其中約 2% 處於激發態。離子通過石墨烯時被中和，之後發射的電子能量則有助於確定核態能量。
日本另有一項實驗使用高強度同步輻射 X 光，先使原子核進入能量高得多的狀態，再讓它主要衰變至目標同核異能態。這些都是定位和測量躍遷的步驟，並非可運作時鐘的示範。
quantA 的學術綜述指出，Schumm 團隊將躍遷能量測定至小數點後 12 位，並利用高次諧波產生技術開發紫外激發。該綜述將原型建置描述為 quantA 卓越集群與歐洲研究委員會協同計畫中的工程階段。最新的回饋示範則跨越了先前階段。
實際應用前還需改善什麼？
眼前的優先工作包括提高雷射功率與穩定度、改良偵測器，以及取得更純淨且均勻的晶體。維也納團隊需要改善不同實驗之間的再現性。北京團隊則正探索更理想的基質材料，以及釷離子鐘的可能性；後者能更徹底地隔離原子核，但技術上更難建造。
不同報導對共振寬度的數值也不一致。Peik 提到測得的寬度為 30 千赫；維也納論文在時鐘性能分析中採用約 100 千赫；中國論文則報告，改良晶體中選定躍遷的寬度為 27 千赫。這些測量不應被合併成單一數值。它們全都遠寬於預期的自然核共振寬度，顯示仍有改善空間。
潛在用途包括衛星導航、電信、同步資料傳輸和測繪。維也納工業大學的2024 年應用說明也提到，重力會改變時鐘速率，因此可藉此測量地球重力場，可能應用於礦產搜尋和板塊構造研究。文中提及的地震預測是尚待探索的應用，並非已證實的能力。
西班牙計量中心物理學家 Daniel de Mercado 解釋，精確測量躍遷有助於檢驗觀測值是否偏離理論預測，這類差異或許指向未知交互作用。對目前的原型而言，這種研究用途比取代日常基礎設施中的時鐘更為迫切。
Del Campo 認為，未來核鐘的準確度有望超越 10^-19，但懷疑它們能否及時影響 2030 年可能進行的秒重新定義。目前並沒有確認的部署期限，也沒有計畫要用這些時鐘取代既有時間標準。下一步是證明改良裝置能兼具低不穩定度、可再現的頻率，以及充分掌握的準確度。
重點整理
- 歐洲與中國團隊獨立研發的釷核鐘，於 2026 年 10 月 7 日刊登在《自然》，並已可運作。
- 兩具時鐘都利用含釷的氟化鈣晶體吸收紫外光，以校正雷射頻率。
- 維也納原型連續運作超過 24 小時，期間無須人工介入。
- 中國時鐘報告的不穩定度係數比歐洲時鐘小六倍。
- 兩具原型都尚未超越最佳光學原子鐘。
- 維也納團隊搜尋暗物質時未發現訊號，但對特定理論交互作用設下限制。
- 晶體均勻度、雷射功率和再現性，仍是實際部署前的主要挑戰。
