近年来,随着冷原子和超稳激光技术的发展,光钟在不确定度和稳定度方面有了显著提升,达到了 10-18数量级甚至更好的水平,远远超过了当前用于秒定的Cs喷泉微波钟。因此,高精度光钟成为了下一代秒定义的最佳候选体系之一。此外高精度光钟还可用于高程差测量、物理常数精密测量以及暗物质探测等领域。与其他光钟体系相比,单个40Ca+离子光钟最大优点是其实现方案相对简单,所需的激光器都可以用半导体激光器实现;此外,40Ca+离子光钟钟跃迁自然线宽为0.14 Hz,具有良好的频率不确定度和稳定度研究潜力,因此40Ca+离子非常适合用于可搬运光钟的研制。本人博士期间的研究课题是以40Ca+离子为研究对象,围绕着两台可搬运钙离子光钟的研制及高程差测量和量子关联谱比对实验展开。取得如下几个方面的研究进展和成果:1、搭建了一台可搬运钙离子光钟（TOC-729-3）系统,包括离子囚禁和探测系统,激光稳频系统以及光路系统。并对另一台可搬运钙离子光钟（TOC-729-1）的光路系统进行了升级改造以满足两台光钟高精度比对实验的硬件需求。软件方面,基于ARTIQ控制系统,使用Python语言开发了两台可搬运钙离子光钟运行的控制程序,实现了部分功能的自动化。在此基础上,分别实现了 60ms探询时间下,Rabi和Ramsey谱线探询方式的光钟锁定,获得单台可搬运钙离子光钟的稳定度分别为4.8 × 10-15/（?）和3.6 × 10-15/（?）2、利用系统频移不确定度在1.3 × 10-17水平的两台可搬运钙离子光钟进行了高程差测量室内演示实验。两台光钟比对测量高程差分别为-0.83（21）m、0.05（21）m和1.02（21）m,在误差范围内与几何测量的高程差吻合。同时,修正系统（包括引力红移）频移后,两台可搬运光钟的相对频率差为-0.7（2.2）× 10-17,验证了可搬运钙离子光钟在小系数10-17水平的可靠性。3、利用两台可搬运钙离子光钟,成功实现了超越激光相干性的量子关联谱测量。首先在TOC-729-1系统上实现了两个离子的量子关联谱线探询,测得钙离子相干时间为827(252 ms,超越了激光相干时间。其次,基于两台独立可搬运钙离子光钟（均囚禁单个离子）,利用相干时间在ms量级的钟激光实现了探询时间长达200 ms的量子关联谱比对锁定,获得比对测量稳定度为4.0 × 10-15/（?）,超越了激光相干性的限制,与探询时间为1ms的Ramsey谱线比对测量稳定度相比,改善了 43倍。