在人类文明的坐标系中，时间频率始终是丈量世界的重要标尺。从日晷影子的偏移到机械钟表的滴答，从石英振荡的精准到原子跃迁的极致，时间测量的演进史，就是一部人类科技文明的进步史。在当今世界，时间频率计量已成为国家核心竞争力的体现：北斗卫星导航系统的厘米级定位精度、金融交易系统的毫秒级同步、电网运行中的微秒级调度、5G通信网络的纳秒级同步——所有这些，都离不开高精度时间基准的支撑。可以说，高精度时间频率计量如同无声的心跳，支撑着现代社会的运转。

随着国际单位制向常数化、量子化方向演进，时间频率计量的准确性与稳定性已成为衡量国家科技实力的重要标志。而在时间计量领域，原子钟无疑是皇冠上的明珠。传统微波原子钟虽已广泛应用，却在准确度与稳定度之间难以兼得，成为制约更高精度应用的瓶颈。离子阱微波钟的出现打开了新的可能性——利用电场囚禁单个或多个离子，通过激光冷却逼近绝对零度，再利用微波场探测其量子跃迁，从而获得空前稳定与准确的时间频率信号。这场全球竞相角逐的科技高峰，一位中国学者正率领团队登顶——他就是清华大学精密仪器系副研究员张建伟博士。他带领团队15年如一日深耕时频领域，首创激光冷却镉离子方案，将离子温度降至毫开尔文量级，研制出国际领先的微波钟样机。这位从北大校园走向世界科研前沿的学者，用创新突破让中国精密测量站在了世界前沿。

科研创新理论突破传统桎梏

张建伟的科研之路始于燕园、成于清华。从北京大学电子信息科学与技术专业本科，到无线电物理专业博士，再到德国马普学会光学所的博士后训练，他积累了深厚的学术底蕴。2010年，张建伟加入清华大学精密仪器系，将研究方向锁定在离子阱微波钟这一国际前沿领域。

传统离子钟采用缓冲气体冷却方法，离子温度较高，限制了性能提升。张建伟另辟蹊径，创新性地提出激光冷却镉离子微波钟方案，通过精确控制的激光系统，将离子温度降低了700倍以上。这项国际首创的方案突破极大抑制了二阶多普勒频移，从根本上解决了“既准又稳”的技术难题。

“温度每降低十倍，频率偏差减小一个量级。”张建伟这样解释低温对原子钟性能的影响。在他的实验室里，镉离子被冷却至接近绝对零度，创造了近乎静止的量子测量环境。

离子数目直接影响钟信号的信噪比，面对国际上普遍只能囚禁数千个离子的技术瓶颈，张建伟团队通过创新离子阱几何结构设计、改进精密装配工艺、实施杂散电场补偿等技术手段，成功实现了超过1万个离子的稳定囚禁，比英国国家物理实验室(NPL)的同类技术提升了一个数量级。

这一突破的背后是无数次的尝试与优化。“每一个离子的增加，都需要对电场分布进行极其精确的控制。”张建伟团队如此描述技术攻关的难度。

传统离子钟存在“死区时间”——冷却与探测不能同时进行，限制了短期稳定度。张建伟创造性地提出镱离子与镉离子协同冷却方案，将死区时间缩短了74%，使频率稳定度性能提升了两倍。这项技术创新不仅解决了离子钟死区时间长的技术瓶颈，更为量子计算、精密光谱测量等前沿领域提供了新的技术路径。

二阶多普勒频移是影响原子钟精度的重要因素，对此，张建伟团队提出了一种考虑额外微运动效应的二阶多普勒频移评估方法，将评估方法的适用温度范围从室温扩展至毫开尔文量级，显著提升了对冷却离子系统频移不确定度的评估精度。从“近似”到“精确”的演进，这一理论模型的创新，为离子钟的性能优化提供了精确的理论指导。

自控核心技术支撑国家工程

“科研的价值不在实验室，而在于推广应用，服务社会。”张建伟深谙此理，一直以来，他始终坚持以国家重大需求为导向，推动研究成果转化为实际生产力。

通过十余年攻关，张建伟和团队突破了离子阱微波钟的系列关键技术：高压射频驱动技术、离子跃迁频率的阴极灯校准技术、离子温度测量技术、激光自动稳频技术、微弱信号探测技术、大数目离子云的稳定囚禁技术、离子阱结构优化设计技术等。这些技术的突破，使我国完全掌握了高性能离子频标系统的自主研制能力，摆脱了对国外技术的依赖。

“时间频率是国家战略资源，必须掌握在自己手中。”张建伟始终铭记这一科研初心。他和团队研制的激光冷却镉离子微波钟原理样机，频率稳定度达到1.4E-13@1s和1.7E-14@1000s，频率不确定度优于1.8E-14，达到了国际领先水平。

这些成果现已在中国计量科学研究院、中国航天科技集团、中国电子科技集团等多家单位应用，支撑了包括下一代北斗系统的星载汞离子钟、面向秒定义修改应用的镱离子光钟等多项国家重大科研任务。目前，累计签订的1500万元合作合同，更彰显了产学研深度融合的示范效应。

而特别值得一提的是，镉离子阱微波钟技术可为下一代北斗导航系统提供高精度地面时频基准，支持异地地面守时钟之间的高精度比对与同步，并作为可移动的地面主钟备份设备，增强系统的可靠性与安全性。

张建伟和团队的研究成果获得了国际同行的高度认可：Rabi奖得主Vanier将他团队的镉离子测频结果列为推荐值;日本NICT等机构在综述中重点引用其成果;欧盟下一代原子钟技术报告也收录了相关研究。目前，他已在Physical Review Applied、Physical Review Research、Applied Physics Letters等国际顶级期刊发表论文70余篇，获授权中外发明专利11件。更令人自豪的是，张建伟团队在时频测量国际会议IEEE IFCS中两次获优秀论文奖，其中2018年成为该会议历史上首位获奖的中国大陆学者，2020年为中国大陆唯一获奖者。镉离子阱微波钟技术荣获了2024年度中国计量测试学会科技进步一等奖。

作为科研工作者，张建伟深知人才的重要性，在人才培养方面，他取得了优秀成果。他构建了“理论-技术-工程”全链条培养体系，共培养博士研究生11名、硕士研究生4名、博士后1名，多人已进入中国计量科学研究院、中国航天科技集团等国家重点单位，形成了原子钟领域结构合理、梯队完整的高层次人才队伍。“科研不是一个人的战斗，而是一代代人的接力。”张建伟也特注重团队建设，现已打造了一支既有国际视野又立足国家需求的科研团队。

张建伟以十年磨一剑的坚持，在世界时间频率领域刻下了中国精度。从激光冷却技术的突破，到离子囚禁数量的提升;从协同冷却方案的创新，到频移评估模型的完善;从实验室的原理样机，到国家工程的实际应用……张建伟的科研之路，恰似一场永无止境的追求极致的旅程。“时间测量没有最好，只有更好。”张建伟常常对团队成员说，在他的带领下，中国离子阱微波钟技术正从跟跑、并跑向领跑转变。现在，他的研究成果正发挥着重要作用，支撑着国家重大工程的自主可控，为国家经济社会发展提供着精准的时间基准。在他看来，这不仅仅是技术的突破，更是科学家的责任与担当。

随着新一轮科技革命和产业变革的深入发展，时间频率技术将在更多领域发挥关键作用：量子通信、人工智能、深海深空探测......这些前沿领域都对时间频率提出了更高要求。面向未来，张建伟团队已经开始布局新一代原子钟技术研究。他们正在探索基于多离子体系的光频原子钟，以及面向太空环境的空间原子钟。

在时间长河中，每个人都是过客，但有些人能够为时间刻下刻度，为人类锁定节拍。张建伟正是这样的人——一位用科学与创新镌刻时光的中国学者。（清华大学精密仪器系）