冷原子钟是利用激光使原子温度降至绝对零度附近，使原子能级跃迁频率更少受到外界干扰，从而实现更高精度。在微重力环境下运行高精度原子钟具有更重要的意义，既可对基本物理原理开展验证实验，也可发展更高精度的导航定位系统。
在天宫二号上面，就搭载着世界首台空间冷原子钟，它是目前人类研究出来的最精准的钟，此前，太空中的热原子钟已达到300万年误差一秒的精度，而搭载在天宫二号上面的冷原子钟更进一步，达到了3000万年误差少于一秒的超高精度。
中科院上海光机所经过十余年的攻关，突破了微重力环境下运行的冷原子钟物理系统等一系列关键技术。在空间微重力环境下利用激光把铷原子温度降低到接近绝对零度，利用激光和高精度微波场对制备的冷原子进行操纵和探测，提取出铷原子高稳定的能级跃迁频率作为高精度原子钟信号，在国际上首次实现冷原子钟的在轨稳定运行。
在微重力环境下囚禁并冷却铷原子，使用微波和激光脉冲探测它们。团队在微波与原子相互作用后检测原子在能级上的布居数，发现在轨时钟的稳定性为十万亿分之三。
针对国家载人航天重大专项的迫切需求，开展空间冷原子钟技术及其应用研究。经过十年的不懈努力，不断攻克关键技术和航天工程应用难题，将激光冷却技术和空间微重力环境结合，突破了空间激光自动找频和长稳频技术、长期无源状态下的超高真空保持技术、低功耗集成化磁光阱激光冷却技术、超低噪声空间微波频率综合技术、应用于冷原子钟的高可靠光学系统、微重力环境下铷原子钟环形微波腔技术、在空间轨道实现地磁场主动补偿等一系列重大关键技术，验证了空间微重力环境下超高稳定度冷原子钟的运行机制，将目前人类在太空中的时间计量精度提高了近1个数量级，是国际上目前唯一在轨运行的空间冷原子钟。
空间冷原子钟需要放置在天宫二号的密封舱中，在轨开展一系列包括激光连续稳频输出、激光冷却原子、原子慢速抛射、超冷原子与微波相互作用、冷原子钟信号产生与传递、高精度光电自动时序控制等首次在太空中进行的前沿科学实验。
“谁失去了太空，谁就失去了未来！”上海光机所天宫二号空间冷原子钟是中国乃至人类迈向太空探索的重要一步。600年前由于发明了航海钟，英国成为海洋大国。高精度空间原子钟的作用和当年的航海钟类似，是太空探索领域的关键设备。中国第一个发射并在轨运行了空间冷原子钟，国务院和中央军委等政府机关高度重视，国内外各大主流媒体包括美国“科学”杂志、美国“基督教科学箴言报”等都对中国空间冷原子钟作了专题报道，2017年欧洲时频和国际频率控制联合大会特别邀请项目组做“中国空间冷原子钟”报告。
随着中国载人航天事业的快速发展，团队积极开拓，长远布局，将在2022年发射的中国空间站上做两件事情：一是将空间冷原子物理实验做到更冷，将尝试冷到10的负12次方度，这是人类技术在地面从未达到过的温度，只有利用空间微重力环境才有可能达到如此低的温度，是对基础物理的一次重要探索；二是将中国空间站上时间频率系统做得更准，未来目标是10的负18次方量级，并向地面及一定空间提供世界最高精度的时间频率基准信号。
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