光学原子钟可以将手机、电脑和GPS系统中的时间和地理定位精度提高千倍。然而，目前这些设备体积庞大且复杂，难以在社会中广泛应用。据外媒报道，美国普渡大学（Purdue University）和瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）的研究团队开发出一项技术，借助芯片上的微梳，可以使超精密光学原子钟系统显著缩小并更易于使用——这对导航、自动驾驶汽车和地理数据监测具有重要意义。

图片来源：《Nature Photonics》

目前，全球有400多台原子钟为手机、电脑和GPS系统提供非常精确的时间和定位信息。无论是机械钟、原子钟还是智能手表，所有时钟都由两部分组成：振荡器和计数器。振荡器提供某种已知频率的周期性变化，而计数器则计算振荡器的周期数。原子钟通过计算原子在两种能量状态之间振动的频率来计时。

大多数原子钟使用微波频率来诱导原子中的能量振荡。近年来，该领域的研究人员探索了使用激光以光学方式诱导振荡的可能性。就像一把每厘米有大量刻度的尺子一样，光学原子钟可以将一秒分成更多的时间片段，从而使时间和位置指示的精确度提高数千倍。

相关研究最近发表在期刊《Nature Photonics》上，研究合著者、普渡大学教授Minghao Qi表示：“目前的原子钟使GPS系统的定位精度达到几米。而使用光学原子钟，精度可以达到几厘米。这将提高车辆和所有基于定位的电子系统的自主性。光学原子钟还可以检测地球表面纬度的微小变化，并可用于监测火山活动等。”

然而，现有的光学原子钟体积庞大，需要配备特定激光装置和光学组件的复杂实验室，这使得它们难以在实验室环境之外（如卫星、远程研究站或无人机）使用。如今，普渡大学和查尔姆斯理工大学的研究团队开发出一项技术，使光学原子钟体积显著缩小，从而能更广泛地应用于社会。

微梳实现系统小型化

这项新技术的核心是一种称为微梳的小型芯片设备。微梳可以生成一系列均匀分布的光频率，就像梳子的齿一样。Minghao Qi解释说：“这使得其中一个梳齿频率可以与锁定到原子钟振荡的激光频率同步。”

虽然光学原子钟提供了更高的精度，但其振荡频率在数百太赫兹（THz）范围内——这一频率太高，任何电子电路都无法直接“计数”。但研究人员的微梳芯片成功解决了这一问题，同时使原子钟系统显著缩小。

查尔姆斯理工大学光子学教授、研究合著者Victor Torres Company表示：“幸运的是，我们的微梳芯片可以充当原子钟光学信号与用于计数原子钟振荡的射频之间的桥梁。此外，微梳的微小尺寸使原子钟系统在保持超高精度的同时显著缩小成为可能。”

解决自参考的挑战

研究人员的另一个主要障碍是实现系统稳定性所需的“自参考”，同时将微梳的频率与原子钟的信号精确对齐。该研究的主要作者Kaiyi Wu解释道：“事实证明，单个微梳是不够的。我们通过配对两个微梳来解决这个问题，它们的梳齿间距（即相邻齿之间的频率间隔）很接近但有一个很小的偏移，例如20GHz。这个20GHz的偏移频率将作为可电子检测的时钟信号。通过这种方式，我们可以将原子钟的精确时间信号转换为更易访问的射频。”

芯片激光光学为光学原子钟普及铺平道路

新系统还包括集成光子学技术，它使用基于芯片的组件而非笨重的激光光学设备。Kaiyi Wu博士表示：“光子集成技术使得光学原子钟的光学组件（如频率梳、原子源和激光器）可以集成在微米到毫米尺寸的微型光子芯片上，从而显著减小系统的尺寸和重量。”

这项创新为大规模生产铺平了道路，使光学原子钟更加经济实惠，并广泛应用于社会和科学领域。用于“计数”光学频率周期的系统除了微梳外，还需要许多组件，例如调制器、探测器和光学放大器。这项研究解决了一个重要问题，并展示了一种新的架构，但下一步是将所有必要元素集成到一个完整的芯片系统中。

Victor Torres Company表示：“我们希望未来材料和制造技术的进步能够进一步简化这项技术，让我们更接近一个超精确计时成为手机和电脑标准功能的世界。”