以匠心突破封锁，他们稳稳守护北京时间
国家授时中心光抽运小铯钟研发团队。
■本报记者 李媛
时间是保障经济社会平稳有序运行的底层基石。坐落于西安临潼的中国科学院国家授时中心（以下简称国家授时中心）承担着我国国家标准时间（北京时间）的产生、保持和发播任务，而原子钟则是产生国家标准时间的核心装备。
国家授时中心光抽运小铯钟研发团队历经多年持续攻关，实现了小铯钟国产化，构成了国家标准时间自主化的关键一环。2025年，国家标准时间的主要性能及其对国际标准时间的贡献权重均进入国际前列。近日，这个团队荣获中国科学院第七届“科苑名匠”称号。
破局：从零起步，打破国外技术垄断
小铯钟是基于铯原子束量子跃迁构建的一级频率标准，能够实时提供标准时间和标准频率信号，具备长期自主守时能力，即使连续运行数万年，误差也不足1秒。
由于涉及多学科交叉、研制技术复杂、工艺门槛高，美国长期独家把持着全球小铯钟的技术与市场。
彼时，我国基础材料、制造工艺与底层原子钟理论研究均存在明显短板，小铯钟核心部件电子倍增器无法自主研发。国家标准时间产生系统等多个国家重大基础设施，只能采购美国产品，严重受制于人。贸易摩擦后，美国政府以产品“出口威胁美国国家安全”为由，对我国彻底禁售磁选态小铯钟，对其西方伙伴国家也施行出口管控。
这种“卡脖子”的困境，是国家授时中心主任、首席科学家张首刚创建小铯钟团队时就预见的情况。2009年，国家授时中心正式启动激光抽运铯束原子钟（以下简称光抽运小铯钟）自主研发工作。那时他经常说，自主研发小铯钟，不是“要不要”的选择，而是“必须走”的道路。
“项目起步阶段，专业人才匮乏、科研经费紧张，攻关之路异常艰难。”张首刚对《中国科学报》说。他带领团队反复计算论证，结合技术摸底和学科发展趋势，提出了采用原子量子态激光制备与量子跃迁激光探测方案，研发光抽运小铯钟。这不仅绕开了美国磁选态小铯钟的专利壁垒，也为国产小铯钟技术的可持续发展指明了方向。
这意味着，团队必须攻克半导体激光器自动稳频和长期自主可靠运行两大难题。这是整个研发过程中最耗时、最棘手的瓶颈。
2010年刚过完春节，还在其他课题组的国家授时中心正高级工程师李孝峰被找来帮忙处理弱信号噪声大的问题。后来他就留下来牵头激光器电路研发重任，5年间几乎全身心扑在项目上。
画电路板、调试控制程序、优化运算算法，一遍遍试验、一次次迭代打磨。李孝峰坦言，最紧张的时候，吃饭睡觉都在琢磨研发中的问题，有时候躺在床上，脑子里也在排查可能出现的差错。
“就像爬一座百米高的山，不可能一下子蹦上去，只能一厘米一厘米往上挪，有时候还会倒退。”李孝峰这样形容当年的研发历程。
但再难李孝峰也不曾想过放弃，他每天想得最多的就是怎么把阶段性问题解决了，“这项工作关乎国家需求，没有退路，必须做成”。
历经无数次试验，张首刚带领团队攻克了一个又一个技术瓶颈，成功自研基于铯原子饱和吸收谱的半导体自动稳频激光器，解决了原子量子态制备和量子跃迁探测难题。这项成果荣获第二十三届中国专利金奖，也为光抽运小铯钟工程化奠定了基础。
依托这项核心专利技术，2016年，团队联合国内时频领域龙头企业成都天奥电子股份有限公司、中国电子科技集团公司第十二研究所，成功研制出国际首款光抽运小铯钟产品，核心指标全面超越美国禁运的磁选态小铯钟。
如今，小铯钟已实现批量生产，累计装备超130台。应用场景持续扩大，覆盖国家标准时间产生、北斗导航、5G/6G通信、轨道交通、电力电网、金融等多个关键领域，并出口欧洲，彻底终结了国外技术垄断，实现了北京时间底层核心技术自主可控。
攻坚：自研专用工具，啃下工艺“硬骨头”
真空密封铯束管是小铯钟的物理系统，铯原子束在束管内与静磁场、微波场、激光相互作用，实现量子跃迁的激励和原子频率的提取。为深入挖掘光抽运小铯钟性能潜力，推动国家授时体系高质量建设，团队持续开展光抽运真空铯束管的自主攻坚。
然而，铯束管由上百种不同材料的零部件构成，设计与制造难度极大。装配、密封、排气、出铯、封离五大工艺环节环环相扣，任何一环出现偏差都将导致整套系统报废。
2015年，有材料学科背景的国家授时中心工程师刘杰加入团队，承担铯束管工艺开发和专用工具自研的重任。真空封离是决定铯束管能否实现工程落地的最后一关。“一旦密封出现泄漏，前期几个月的努力都会付诸东流，所有人都承受着巨大压力。”刘杰说。
受应用场景限制，市面上没有适配的商用工具，刘杰便查阅海量文献、结合实操经验，自主设计电动封离真空封口钳。每次更换不同弧度刀头开展测试，整个团队都紧绷着神经。
经过上百次压强、力度模拟试验，这款自主研制的封口钳成功攻克密封难题。如今，团队已实现光抽运真空铯束管全流程自主研发，为小铯钟性能迭代筑牢了核心技术与工艺根基。
科研从来没有捷径，小铯钟的研发更是一场“持久战”。团队成员来自祖国各地，新鲜感褪去后，伴随而来的是长期孤独、枯燥与高强度的试验，但始终没人轻言退缩。在团队负责人、国家授时中心研究员孙富宇看来，大家甘愿扎根相对偏远的临潼，数年如一日，背后既是对科研事业的热爱，也是心怀家国、为国攻坚的使命担当。
平日里，孙富宇总爱泡在实验室里。机器运转的轰鸣声不绝于耳，各类管线交错排布，可在他眼中，这些朝夕相伴的仪器设备都是并肩前行的老友。
高级工程师李超对此深有体会。“我们搞原子钟研究，既要心怀目标，又不能急于求成，在刻意钻研与顺其自然之间找到平衡，才能把事情做好。”
融洽向上的团队氛围，也是攻坚克难的有力支撑。2023年，年轻的工程师胡旭文加入团队。在她看来，团队里没有层级隔阂，有经验的老师会主动带新同事；遇到技术难题时，大家会围坐在一起交流探讨，共享文献资源；工作压力大的时候，大家会互相打气，把个人遇到的难题变成团队共同完成的任务。
周末需要值守实验室、凌晨需要排查故障……每当这些紧急任务来临时，总有人主动请缨。孙富宇感慨，正是这份凝聚力，让团队在漫长的研发路上坚持了下来。
前行：追求极致，精度永无止境
2025年10月，国家安全机关发布公告称，2023年8月至2024年6月，美国先后启用42款特种网攻武器，对国家授时中心实施高烈度攻击，并伺机进一步渗透至高精度地基授时系统，试图扰乱北京时间体系。
面对美国的网络攻击，团队始终保持理性从容，在做好安全防备的同时，也专注于提升自身研发水平。“被国外盯上，说明我们的技术已经追平甚至具备了同台竞争的实力。”张首刚告诉《中国科学报》，这份底气源于自主研发的硬实力，更源于团队追求极致、永不止步的科研信念。
在张首刚看来，给予做钟的人“名匠”称号，他发自内心地喜欢。“匠”从侧面反映出团队在日复一日的科研工作中精雕细琢、不断攻关的过程。“这份荣誉，既是对团队多年深耕小铯钟技术的肯定，也激励着我们步履不停、再攀高峰。”他表示，接下来团队将持续技术创新、深挖产品性能，同时加快专利转让与成果转化，让核心技术在更多应用场景落地。
孙富宇补充道，团队已储备20余项授权专利技术，为新一代产品研发奠定了基础。未来大家将坚守主业、守正创新，助力国家标准时间体系不断优化。
张首刚原本计划在临潼待满5年，完成项目研发、带出科研队伍便返回北京，如今却已与国家授时中心深度绑定、难以割舍。
“这是机缘，更是责任。听从国家安排，扛起科研使命，就是我们的本分。深耕科研提升专业能力，国家发展正好需要这个能力，这是科研人最大的价值。”现在，看着一批批青年科研骨干快速成长、独当一面，张首刚满是欣慰与骄傲。