张建伟与他的“中国精度” | 刻度“时间之刃”
人类对时间的探索史，本质上就是一部科技文明的进步史。
20世纪40年代末，美国国家标准局成功研制氨分子钟，拉开了原子钟时代的序幕；1955年，英国国家物理实验室研制出全球首台铯原子钟，让时间测量摆脱了天文现象的束缚；1967年，第13届国际计量大会正式用原子时间定义“秒”——即在无外界干扰的条件下，铯原子133同位素基态的两个超精细能级间跃迁周期的9 192 631 770倍。
原子钟的出现，让时间测量进入了“千万年误差不足一秒”的极致时代，也让其从实验室走向了大国博弈的战场。1毫秒的偏差可能导致大城市电网时序混乱引发瘫痪，1微秒误差会让国际股市蒸发千亿资金，1纳秒误差将使导航定位偏离30厘米，高精度原子钟已成为现代科技与国防的核心竞争力。
张建伟的科研生涯，便与这种“丈量时间的极致设备”紧密相连，于攻坚克难中，书写中国精密测量的创新华章。
——题记
2025年10月，一则由中国国家安全部门披露的消息，如同投入平静湖面的巨石，在全球范围内激起千层浪：美国国家安全局通过搭建虚拟服务器集群，对中国国家授时中心核心系统实施了长达数年的持续网络攻击。这场不见硝烟的战争，没有轰鸣的炮火，没有冲锋的战士，却直指现代社会运转的命脉——时间。
▲张建伟
时间从来不只是计时工具，更是丈量国家实力的标尺。在人类文明的坐标系里，时间始终是那根最古老也最精密的轴线。从仰望星空的先民以日月星辰为尺，到机械钟表匠人用齿轮与发条捕捉光阴的嘀嗒，再到石英晶体以稳定的振荡定义分秒——每一次对时间的丈量，都标记着一个时代的科技高度。
当下，在这个由数据流、卫星网和金融脉冲构成的数字世界里，时间更加成为一种看不见却无处不在的“战略资源”。它的精度，直接决定了北斗卫星能否为我们指明厘米级的方向，决定了电网能否在微秒间化解一场灾难性的崩溃，甚至决定了未来量子计算机能否解开宇宙最深邃的密码。
这场网络攻击事件，如同一记警钟，再次印证了那句老话：“时间主权”不容侵犯。而守护这份主权的背后，离不开中国标准时间准确度的持续提升——2024年1月，中国标准时间实现6000万年误差不超过1秒的惊人精度。
中国的时间计量之路，是一部自主创新的逆袭史。这份底气，源自三代中国科研人员跨越六十载的接力攻坚，而在这场跨越时代的接力中，清华大学精密仪器系副研究员张建伟，无疑是青年一代科研工作者的杰出代表。这位从北大燕园走出，在德国马普学会深造，最终扎根清华园的学者，用15年光阴深耕离子阱微波钟领域，以“敢走不一样的路”的勇气，攻克镉离子微波钟系列核心技术，为中国时间主权筑起了一道坚实的科技屏障。
立志科研报国
——机会总是留给有准备的人。在时间测量这条道路上，张建伟正是这样一位时刻准备好的人。
张建伟的科研之路，始于世纪之交的北京大学。彼时，中国正经历着深刻的变革，而在科技领域，有一个痛点尤为刺眼——我们没有自己的高精度原子钟。当时，国家正在筹划建设自己的卫星导航系统“北斗”，但最核心的设备——原子钟，却因为精度问题，只能仰人鼻息。
▲张建伟团队合影
“那时候，我的导师杨东海老师一讲到这件事，就很心酸。说我们国家造不出好用的原子钟，国外厂商卖给我们的，往往是他们自己淘汰下来的次品，做卫星导航前期吃了很多亏。”张建伟回忆道，在海湾战争中，美国依靠GPS精确制导的巡航导弹，给世界带来了巨大震撼，也让中国人深刻认识到，核心技术受制于人，国家安全便如沙上筑塔。
“在精确打击时代，原子钟的作用和地位不亚于原子弹”。自己导师的导师——著名物理学家、曾担任北京大学常务副校长的王义遒教授的这句话，重重地砸在张建伟的心坎上。也正是这份源于家国情怀的触动，让年轻的张建伟更加坚定了选择原子钟作为自己的研究方向。
但注定这是一条艰苦的路途。原子钟是一个集物理学、光学、电子学、真空技术、精密机械于一体的复杂系统，任何一个环节的微小瑕疵，都会导致整体性能的崩塌。在那个科研经费捉襟见肘的年代，实验室里许多设备都需要自己动手搭建。“我们那个时候做实验，很多东西都是自己做的，从电源开始，甚至激光器都是我们自己做的。”这种“穷且益坚”的磨砺，让张建伟对仪器的底层原理有了透彻的理解，也为他日后敢于创新打下了坚实的基础。在北大5年的硕博生涯里，张建伟不仅打下了扎实的量子物理与精密电子技术基础，更在老一辈科学家的熏陶中，树立起“科研报国”的坚定信念。
2007年博士毕业后，张建伟远赴德国马普学会光学研究所，跟随王力军教授从事博士后研究。这段经历对他而言，如同推开了一扇通往新世界的大门，让他大开眼界，呼吸到了很多和国内截然不同的新鲜空气。“和国内的实验室一对比，德国的实验室科研条件真的是特别好。”张建伟第一次接触到当时最前沿的离子阱技术。离子阱，顾名思义，是利用电场将带电的离子（原子失去电子后的状态）囚禁在一个极小的空间内。相比于传统的中性原子钟，离子因为带电，可以被牢牢束缚，从而极大地减少外界环境的干扰，有望实现更高的精度。
“我在国内完全没接触过离子阱，到那里从基础理论到实验技术都要从头学。”一切从零开始，在德国的3年，是张建伟学术积累的关键时期，有了更多机会面对面向国际学者和行业专家求教探讨，使他逐渐具备了极高的国际视野。张建伟跟着国际顶尖团队搭建离子阱实验系统，从离子囚禁、激光冷却到信号探测，一步步掌握了离子阱微波钟的核心实验方法。这段经历，让他受益匪浅，同时也让他清晰地认识到国内外的巨大差距。张建伟回忆，有那么一刹那，自己胸中先涌上来一股挫败感——西方的技术太领先了，太多资料和技术是他到了德国之后才第一次接触到的，紧接着就是兴奋感——“不管怎么样，我要追上他们并超越他们。”
▲张建伟在实验室
张建伟全身心投入到钡离子的研究中。从搭建复杂的真空系统，到调试精密的激光器，再到在茫茫“真空”中寻找那几个微弱的离子信号，每一步都充满了挑战。他记得，为了第一次看到离子的荧光信号，整整摸索了一个月，想了各种各样的办法。这种在未知中艰难探索的经历，不仅锤炼了张建伟的技术，更塑造了他沉稳坚韧的科研品格，使他从一个懵懂的新人迅速成长为科研团队的骨干。
不走寻常路
——跟着别人走永远只能做追随者，只有开辟自己的路径，才能实现超越。
时间进入了21世纪的第2个十年。随着经济实力的提升和国家对科技事业的重视，中国的科技发展迎来了黄金时期。张建伟对中国科研的光明前景也充满了憧憬，在他内心，科研报国这件事——没有第二个选项。“有了人才，有了投入，一定会产生效果。我觉得我们中国不能总跟在别人后面做科研，一定要发展一些前沿的理论和创新，我们有这个能力去领跑！”他的话掷地有声。
2010年，张建伟追随博士后导师王力军教授回国到清华大学精密仪器系任职，从此扎根在这片新的科研沃土。彼时，国际离子阱微波钟研究方兴未艾，美、日、英等国纷纷布局。在国内，也有多条技术路线并行探索。“当时我们也有机会去做西方国家主流的一些方案。”但张建伟并不满足于简单地复制国外的技术路线，他和团队经过审慎研判，决定选择走一条“不一样的路”——深耕“镉离子微波钟”。
“当时国际上主流方案是采用汞离子或镱离子，我们选择镉离子确实需要勇气。”张建伟坦言，这是一个充满风险的决定。国际上对镉离子的研究寥寥无几，几乎没有任何成熟的经验可以借鉴，但他看到了镉离子的独特优势：它可以用一台商用激光器同时完成冷却和探测，这大大简化了系统结构，为未来的工程化和小型化铺平了道路。更重要的是，张建伟内心深处有一种强烈的信念，这信念源自王义遒、杨东海等前辈的言传身教：“我们想走自己的路，当然这个会难一些，但是只要坚持走下来总会有收获。”
这条“不一样的路”，正是张建伟和他的师友们科研精神的核心。他不愿做亦步亦趋的追随者，而立志成为开疆拓土的探索者。这份勇气与远见，注定了他和他的团队将在时间频率的赛道上，走出一条属于中国的独特轨迹。
选择镉离子这片“无人区”，意味着一切都要从零开始，同时也意味着张建伟和他的团队需要吃更多的苦，突破更多的技术壁垒，遭遇更多的艰难险阻，解决前人没有解决掉的疑难杂症。“条件有限，这是客观事实。差距大，说明我们进步的空间也大。”张建伟不停鼓励着身边的人，“科研的挑战性恰恰就是让我们打破各种极限，人的极限、钱的极限、技术的极限……”这种视挑战为乐趣的能力，张建伟常归功于自己的乐观性格。
▲张建伟（左一）指导学生
初期，张建伟带着团队从搭建基础实验装置开始，把每一个环节都做到极致。尽管如此，起步阶段的实验室里还是充满了失败的沮丧。团队尝试了各种方法，却始终无法稳定地捕捉到足够数量的镉离子，更无法获得清晰的跃迁信号。那段时期，张建伟常常独自一人在实验室待到深夜，反复思考每一个可能的变量。他清晰地记得那个突破的夜晚：“我自己晚上在实验室加班，然后想到一个想法尝试了一下，把我们实验的方法稍微调整一下，就看到了一个非常差的信号，我当时激动得差点跳起来，赶紧记录数据，然后给团队成员发消息，让他们第二天一早来实验室见证。”张建伟回忆道，那天晚上，他守在仪器旁，看着信号一点点稳定，直到东方泛起鱼肚白，毫无睡意。这个信号的发现，成为项目的重要转折点，让团队终于突破了离子探测的“死亡谷”。
灵光乍现虽然只在一瞬间，背后却是无数个日夜的积累与煎熬。在张建伟团队攻克了“有无”问题之后，更大的挑战接踵而至。要打造一台世界领先的原子钟，必须解决3个核心瓶颈：离子温度高、死区时间长、频移评估不准。
离子温度的控制是第一个难题。原子钟的精度与离子的运动速度息息相关。离子越热，运动越快，由相对论效应引起的“二阶多普勒频移”就越严重，这会直接污染钟的输出频率。国际上主流的汞离子钟采用缓冲气体冷却，离子温度高达500K以上。张建伟团队则另辟蹊径，利用镉离子能被商用激光高效冷却的特性，成功将其温度降至毫开尔文量级——比绝对零度仅高出千分之几度！这一方案，将离子的热运动几乎完全冻结，从根本上抑制了最主要的频移来源，为“既准又稳”奠定了物理基础。
针对传统离子钟“死区时间”长的问题，张建伟团队做到有的放矢。传统的离子钟工作模式是“冷却－探测”交替进行。在冷却阶段，钟的“心跳”实际上是暂停的，这段“死区时间”会严重影响短期稳定度。如何让冷却尽可能少地干扰探测过程？张建伟创造性地提出了“协同冷却”方案。他们在离子阱中同时囚禁两种离子：镱离子和镉离子。镱离子负责吸收激光能量并降温，而由于同为带电粒子，它们之间通过库仑力相互作用，使得镉离子也被间接冷却下来。这样，用于探测的镉离子就不再受到冷却激光的干扰，可以持续不断地输出精准的频率信号。这项创新将死区时间缩短了74%，稳定度性能提升了近3倍，这一创新不仅解决了离子钟性能提升的瓶颈，还为量子计算、精密光谱测量等前沿领域提供了新的技术路径。
要宣称自己的钟达到了10的负14次方甚至更高的精度，就必须对所有可能影响频率的物理效应进行极其精确的评估。其中，二阶多普勒频移的评估尤为关键。张建伟发现，国际上通用的评估方法是基于较高温度的离子云模型，直接套用到他们毫开尔文的超冷离子体系上会产生巨大偏差。于是，团队从头开始，建立了一套全新的理论模型，将离子在阱中的“额外微运动”等细节都考虑在内。这套“量身定制”的评估方法，确保了他们对钟性能的标定是真实可靠的。
十五年磨一剑，霜刃终得试。张建伟团队研制的激光冷却镉离子微波钟样机，频率稳定度达到1.4×10-13@1s和1.7×10-14@1000s，频率不确定度优于1.8×10-14，在同类微波钟中处于国际领先水平。张建伟和他的同事们在这份沉甸甸的试卷上，给出了独树一帜的中国答案，让全世界认识到了中国人的“解题”能力。这一成果不仅打破了国际上的技术垄断，更标志着中国在高端时间频率领域实现了从“跟跑”“并跑”到“领跑”的历史性跨越。
2024年，这项凝聚了张建伟和团队无数心血的“镉离子微波钟技术”荣获中国计量测试学会科学技术进步奖一等奖，这是对他们“不走寻常路”这一战略选择最有力的肯定。
这台看似冰冷的机器，其价值却无比炽热。它已在中国计量科学研究院、航天科技集团等国家核心单位落地生根，为下一代北斗导航系统提供高精度的地面时频基准，为我国参与未来“秒”定义的国际话语权争夺提供关键支撑。正如张建伟所言：“时间频率是国家战略资源，必须掌握在自己手中。”他和他的团队，用自主创新牢牢守住了这片关乎国运的战略高地。
面向未来
——科研不是一个人的战斗，而是一代代人的接力。
谁拥有了一流创新人才，拥有了一流科学家，谁就能在科技创新中占据优势。张建伟自然懂得团队的力量和人才梯队建设的重要性。在他的科研叙事中，“团队”和“学生”始终是高频词。他的实验室有着独特的文化气质。
对于年轻一代的培养，张建伟非常看重，将之视为学科长远发展的一项重要工作。“老师最大的价值不仅在于自己创造什么，更在于他带领一群人，把一种精神传递给别人，带动更多人去发挥力量，去富强这个国家。”在张建伟心中，他与学生的关系不仅是师生，还是朋友，更是未来路上让中国时间频率计量领域领跑世界的战友。
▲张建伟团队合影
“人才培养最根本的一点，我觉得还是要用心。着重培养同学们主动思考、敢于创新、善于创新的习惯，提升同学们表达问题、分析问题、解决问题的能力，帮助他们树立起从真正的需求中寻找科学问题、将创新成果转化成生产力、将科学研究与国家需求紧密结合的价值观。”为此，张建伟常常和学生们谈心，花很多时间与他们一起讨论目标规划、实现理想，将自己这些年来的生活智慧和科研经验毫无保留地与他们分享，令这些年轻人受益匪浅。
张建伟明白，真正的科研历程不是整齐划一的套路，而是充满试错、探索甚至“混乱”的创造过程。因此，他给予学生极大的自主空间，鼓励他们大胆尝试，不怕失败。他不会事无巨细地干预，而是扮演一个引导者和同行者的角色，让学生在“放养”中学会独立思考和解决问题的能力。
一流的学科之所以成为一流，往往需要几代人的传承和沉淀。这种宽松自由的培养模式，也源自于他自己的求学经历。“我的导师杨东海当年就是这样，给了我们足够的探索空间，让我们在试错中成长。现在我带学生，也希望延续这种模式，让他们敢于提出自己的想法，自主探索科研的乐趣。”张建伟将这种风格延续了下来。他不喜欢给学生过大的压力，而是致力于激发他们内在的动力。
但是宽松并非散漫，在这份自由的背后，还有着一层更为深沉的精神内核——家国情怀。张建伟深知，做原子钟是一项“坐冷板凳”的事业，周期长、难度大、出成果慢。工作的内容是异常枯燥的，一个平常的数据结论，常常要经过复杂的理论推导，从数万个数据点里找出问题，若没有强大的精神动力，很难坚持下去。因此，他总是不厌其烦地向学生讲述中国原子钟发展的艰辛历史，讲述王义遒、杨东海等老一辈科学家当年如何在国家最困难的时候坚守阵地，为的就是让今天的年轻人明白，他们手中的每一项技术突破，都与国家的命运紧密相连。
在张建伟的心里，做科研要“顶天立地”，一头深深扎根于基础研究，解析世间万物之间相互作用的奥秘；另一头则与国家和社会需求紧密相连，解决工程上广泛存在的一个个实际问题，打造出一个崭新的世界。“我希望他们未来的目标是服务于国家的需求，把自己的职业发展跟国家的战略方向结合起来。”这是他对团队里年轻人的殷切期望。他希望培养的不仅是技术精湛的专家学者和工程师，更是有理想、有担当的国之栋梁。他告诉学生，“做原子钟就是这样，没有捷径可走，只能一点点打磨、一次次试错，把每一个细节做到极致。”张建伟说，正是这些难忘的攻坚经历，让团队养成了“不怕困难、精益求精”的作风，也让自主创新的种子在每个人心中生根发芽，鼓舞着大家在这条伟大事业的道路上逢山开路，遇水搭桥。
这种精神的熏陶，在潜移默化中塑造了团队的品格。在张建伟的影响下，已毕业的研究生大多继续在精密测量与国防科技战线贡献着力量。有人毕业后投身航天事业，成为青年创新型拔尖人才；有人进入国家计量院，继续在时间频率领域深耕；还有人选择创业，致力于解决半导体检测领域的“卡脖子”难题。他们身上，都带着张建伟团队共有的烙印：既有扎实过硬的专业本领，又有服务国家的赤子之心。
▲张建伟查阅资料
“任何一位老师都会为自己出色的学生而自豪。”张建伟欣慰地说，“看到他们能服务于国家一些重要的战略需求，这是我觉得最有成就感的事情之一。”
如今，张建伟的团队已发展成一支包含多名青年教师、工程师及十余位博士生、硕士生的精干力量。他们依托清华大学时空信息精密感知技术全国重点实验室，面向国家最紧迫的需求持续攻关。除了离子钟，张建伟还积极推动技术产业化，让实验室里的技术走出象牙塔，服务于经济社会发展。他带领团队孵化了半导体缺陷检测、近红外光谱在线检测等多个产业化项目，践行着“从国家需求中找问题，以核心技术促产业”的理念。
站在新的起点上，张建伟的目光已经投向更远的未来，开始布局新一代原子钟技术研究。随着量子通信、人工智能、深海深空探测等领域的快速发展，时间频率技术将发挥更加关键的作用。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。“我们要继续保持创新势头，让中国的时间频率计量技术始终站在世界前沿。”张建伟说，“希望在我们国家一些重要的工程和任务上，比如北斗四代、深空探测，我们的技术能真正落地，让用户用起来。”
时间的精度关乎民族的尊严。张建伟知道，时间测量永无止境，“没有最好，只有更好”。他希望年轻人能认识到，他们所从事的，不仅是一份工作，更是一份责任。
时间是浪漫的，可以白驹过隙，也可以天长地久；时间更是残酷的，时间精度的博弈是一场看不见的战争。2025年10月的那场网络攻击，或许只是大国博弈中的一个插曲。但它却无比清晰地昭示了一个真理：在数字时代的战场上，时间就是武器，精度就是力量。
“我们做原子钟，看似枯燥无趣，实则关乎国家安危，关乎国家的核心竞争力。只要是国家需要的地方，就是我们的用武之地！”张建伟和他的团队用科学与创新，在这条追求极致的“战场”上，为时间刻下了鲜明的中国精度，向全世界展示出中国新一代科技工作者的蓬勃朝气与家国担当。
张建伟笃定，赢得时间尊严的民族，终将赢得未来。
专家简介
张建伟，北京大学电子学系学士、北京大学信息科学技术学院博士、德国马普学会光学所博士后。现任清华大学精仪系副研究员、中国计量测试学会时频专业委员会委员、全国电力系统管理及其信息交换标准化技术委员会委员、中国物理学会原子分子物理专委会青年委员。长期从事精密测量研究，承担多项国家级科研任务。提出并实现“激光冷却+镉离子”微波钟方案，研发的激光冷却镉离子微波钟样机频率稳定度达1.4×10-13@1s。研究成果应用于中国计量科学研究院、航天科技集团等单位。在《应用物理评论》（Physical Review Applied）、《物理评论·研究》（Physical Review Research）、《应用物理快报》（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。作为第一完成人，获2024年度中国计量测试学会科学技术进步奖一等奖、2024年度中国发明协会发明创业奖项目奖一等奖、2024年全国发明展览会金奖和2025年德国纽伦堡发明展银奖。