最早的原子鐘出現(xiàn)在1960年代中期,，它的目標(biāo)很明確,，就是重新定義秒，而這一定義也經(jīng)受住了時間的考驗,。原子鐘通過計算銫原子電子自旋的翻轉(zhuǎn)頻率來工作,，可以非常精確地測量頻率和時間，是目前為止所有物理量中最精確的測量,。

原子共振非常精確,，甚至可以辨別標(biāo)準(zhǔn)石英時鐘與正確時間之間10¹⁵分之一的誤差。如此高的時間分辨率,，原子鐘利用了鍶原子的超窄躍遷特性,，其性能優(yōu)于銣原子好幾個數(shù)量級。簡單來說,，原子躍遷越窄,，原子鐘就越準(zhǔn)。這也是現(xiàn)今的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(例如GPS)為什么如此有用的一個主要原因,。的確,，有些人認(rèn)為,，如果沒有原子鐘,，人們就無法享受GPS帶來的好處，甚至?xí)r而會抓狂,。

有人將GNSS衛(wèi)星看作利用無線電發(fā)射時間信號的精確原子鐘,。授時數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為精確的三維位置信息——緯度,、經(jīng)度和高度,，以及方向和速度,。

自1960年代中葉以來，科學(xué)家和工程師們每隔十年就將其精確度提高一個數(shù)量級,，現(xiàn)在發(fā)展更快了,。設(shè)計人員一直在努力使原子鐘更加精確，更重要的是使它體積更小,，重量更輕,，但大多都沒有將重點放在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用上。例如,，設(shè)計人員越來越重視能夠測量原子振動的原子鐘,，可以提供足夠的精度來檢測諸如暗物質(zhì)和重力波之類的現(xiàn)象,。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家最近透露，他們設(shè)計出了一種新型的原子鐘,，它測量的是被量子糾纏的原子,，而不是像現(xiàn)在最好的設(shè)計那樣，測量隨機(jī)振蕩的原子云,，這為人們打開了通往一個全新量子物理學(xué)世界的大門,。

至于GNSS定位技術(shù)，英國已經(jīng)有多家公司與大學(xué)合作,，通過提高原子鐘精度及減小外型尺寸使其更加實用,。這項工作由位于蘇格蘭格拉斯哥的先進(jìn)光子和量子領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)公司Kelvin Nanotechnology牽頭，合作方包括格拉斯哥的另一個專業(yè)設(shè)計公司W(wǎng)ideBlue,，以及伯明翰大學(xué)和斯特拉斯克萊德大學(xué)的研究人員,。

WideBlue公司設(shè)計的光柵磁光阱(gMOT)和緊湊型準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，由Kelvin Nanotechnology公司負(fù)責(zé)制造,。斯特拉斯克萊德大學(xué)負(fù)責(zé)設(shè)計gMOT芯片,，而伯明翰的研究人員則負(fù)責(zé)測試光學(xué)系統(tǒng)原型機(jī)。Kelvin Nanotechnology公司項目高級研究員James McGilligan表示,，此次合作的重點是減小可擴(kuò)展微加工組件的光流約束,，使原子鐘外型更小，若想原子鐘在現(xiàn)實應(yīng)用中獲得與實驗室同樣的性能,，這一步驟至關(guān)重要,。

該項目計劃持續(xù)大約18個月。McGilliagan告訴筆者,，“原子鐘已經(jīng)非常精確,，我們的重點是改進(jìn)微加工技術(shù)和激光冷卻光學(xué)器件，從而大大減小下一代便攜式原子鐘的尺寸和重量,?！?br>

Kelvin Nanotechnology公司的業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理David Burt說，將原子鐘應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時,，重量仍然是需要重點考慮的因素,。同時，“我們也看到了其他領(lǐng)域的許多商業(yè)機(jī)會,，包括國防,、海底石油和礦物勘探?！?br>

斯特拉斯克萊德大學(xué)物理系的Paul Griffin(他也是該大學(xué)的首席研究員)認(rèn)為,，這一項目“直接讓研究技術(shù)從實驗室進(jìn)入到實用且可擴(kuò)展的量子設(shè)備，這曾經(jīng)是一大難題,?！盙riffin說,，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原子(例如鍶和鐿)可用來提高量子測量時間和重力的靈敏度?！斑^去十年中,，我們的斯特拉斯克萊德大學(xué)團(tuán)隊實現(xiàn)了在單電池供電的簡單手持設(shè)備中使用激光冷卻堿原子技術(shù)?！边@一項目還將開發(fā)用于激光冷卻和鍶原子控制的新工具,。Griffin說：“我們的目標(biāo)是在五年內(nèi)將超冷鍶原子的核心硬件做成現(xiàn)成組件，這不僅對于授時是革命性的進(jìn)步,，對量子計算等應(yīng)用也一樣,。”

圖1：用于原子鐘開發(fā)的激光系統(tǒng),。(圖片來源：NIST,，科羅拉多州博爾德)

科羅拉多大學(xué)的物理學(xué)家在光學(xué)時鐘研究中也取得了新進(jìn)展，他們基于鍶,、鐿和鋁原子設(shè)計而成的光學(xué)時鐘,，可以通過激光束連接兩座建筑物之間的設(shè)備。其中鍶時鐘位于校園內(nèi),，另外兩個時鐘位于1.5公里之外的美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院Boulder實驗室,。圖1所示為用于原子鐘開發(fā)的激光系統(tǒng)。三個時鐘之間的誤差小于10¹⁸分之一,，這一數(shù)據(jù)足夠精確,，因此可以檢測時空連續(xù)體和引力波的彎曲。

便攜式原子鐘

與此同時,，薩塞克斯大學(xué)的研究人員也在開發(fā)一種便攜式原子鐘,，其目的是希望消除對衛(wèi)星的完全依賴。未來有一天,，這種原子鐘可以集成到手機(jī),、無人駕駛汽車或無人機(jī)中。

研究人員稱,，利用激光束技術(shù),，原子鐘關(guān)鍵元件(原子鐘擺，一種類似于機(jī)械鐘擺,、負(fù)責(zé)計數(shù)的組件)的效率得到了提高,。薩塞克斯大學(xué)新興光子學(xué)實驗室首席研究員Alessia Pasquazi表示,，當(dāng)用戶開車穿過衛(wèi)星信號強(qiáng)度較弱的隧道或市區(qū)時,，便攜式原子鐘仍然能夠讀取地圖數(shù)據(jù)。Pasquazi認(rèn)為,，便攜式原子鐘無需衛(wèi)星信號,，而是依靠極為精確的地理映射來獲得位置和規(guī)劃路線,。她在一次采訪中說：“這一突破性進(jìn)展將原子鐘擺的效率提高了80％?！?br>

原子鐘的基準(zhǔn)組件(相當(dāng)于傳統(tǒng)時鐘的鐘擺)是基于封閉在腔室中的單個原子的量子特性,，即每秒振蕩數(shù)萬億次的光束的電磁場而設(shè)計的。達(dá)到這種速度的時鐘計數(shù)元件叫做光學(xué)頻率梳,，這是一種極其特殊的激光器,，可以同時發(fā)出多種顏色，而且頻率間隔均勻,。

微光梳則利用微型光學(xué)微諧振器有效縮小了頻率梳的尺寸,，不過Pasquazi指出，微光梳是一種極為脆弱的元件,，操作復(fù)雜,，因此難以滿足原子鐘的實用性需求。薩塞克斯大學(xué)的研究人員稱開發(fā)中的高效微光梳取得了突破性進(jìn)展,，他們使用了一種稱為“激光腔孤子”的特殊類型的波,，孤子非常穩(wěn)健，可以在很長的距離內(nèi)不受干擾進(jìn)行傳輸,。薩塞克斯團(tuán)隊使用限定在芯片微腔中的光脈沖,，Pasquazi說：“在這種情形下傳輸?shù)墓伦涌梢猿浞掷梦⑶划a(chǎn)生多種顏色的能力，同時還使脈沖激光的控制更加穩(wěn)健,、更加實用,。”

下一步是將基于芯片的技術(shù)轉(zhuǎn)化為光纖技術(shù),，原子鐘最終將與正在開發(fā)的“超小型”原子基準(zhǔn)組件集成在一起,。

研究人員希望與英國航空航天業(yè)的合作伙伴一起，在五年內(nèi)生產(chǎn)出實用的原子鐘,，然后再集中精力將這種技術(shù)應(yīng)用到便攜式原子鐘,，并最終應(yīng)用于移動電話等消費類設(shè)備中。

但是,，消費者應(yīng)用仍然只是一種理想,。“我們可能還需要20年才能實現(xiàn)這個理想,，”Pasquazi承認(rèn),，“我這一部分項目進(jìn)展相當(dāng)快，但目前仍缺乏制造芯片的資金,。而那些研究地理位置和導(dǎo)航技術(shù)的同事則面臨很大的挑戰(zhàn),，他們正在開發(fā)一種真正有效的原子基準(zhǔn)組件，并計劃將該組件與孤子設(shè)備集成在一起,?！?br>

地面GNSS

未來不再使用GNSS衛(wèi)星的目標(biāo)仍然是一個極大的挑戰(zhàn),，而在芯片級集成所有器件也同樣困難?！拔覀兩a(chǎn)的原型機(jī)可能只有一個鞋盒那么大,，這已經(jīng)是所有導(dǎo)航衛(wèi)星中尺寸和重量最小的新一代原子鐘了?！?br>

無論哪種方式,，“我們一定可以改善下一代GNSS系統(tǒng)的性能和安全性，提供更好的時間基準(zhǔn)和導(dǎo)航能力,，并在需要時作為獨立的備用系統(tǒng)使用,。”Pasquazi說,。

英國皇家工程學(xué)院發(fā)布了一系列報告,，最新的一份報告強(qiáng)調(diào)了對地面GNSS替代方案的需求日益增長。該報告發(fā)出警告：“整個社會對衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)的過度依賴已經(jīng)到了危險的邊緣,?！毖芯恐赋觯珿PS如果發(fā)生重大故障,，可能會導(dǎo)致許多服務(wù)同時中斷,，包括許多看似毫不相關(guān)服務(wù)。報告指出：“對于所有重要的GNSS應(yīng)用,，部署非GNSS備用方案至關(guān)重要,。”

GNSS應(yīng)用的漏洞范圍也很廣,，從信號干擾到太陽耀斑干擾,。該學(xué)院建議部署方便大家使用的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)作為GNSS服務(wù)的后備,，將有助于確保國家基礎(chǔ)設(shè)施的安全,。報告還提到了一種稱為eLORAN的地面無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，它也可以作為地面?zhèn)溆孟到y(tǒng)的一種選擇,。

（原文刊登于EDN姐妹網(wǎng)站EETimes美國版,，參考鏈接：Atomic Clocks Get Smaller, Lighter, More Precise，由Jenny Liao編譯,。）

本文為《電子技術(shù)設(shè)計》2021年8月刊雜志文章,。