光學(xué)原子鐘有望將手機(jī)、計(jì)算機(jī)和導(dǎo)航系統(tǒng)中的時(shí)間與地理定位精度提升千倍，但受限于體積龐大與結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其廣泛應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。

近日，美國普渡大學(xué)與瑞典查爾默斯理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，通過集成微型芯片級(jí)“光頻梳”（microcomb），成功將超精密光學(xué)原子鐘系統(tǒng)大幅小型化，為導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛及地理數(shù)據(jù)監(jiān)測等領(lǐng)域帶來革命性進(jìn)步。相關(guān)成果發(fā)表于《自然·光子學(xué)》（Nature Photonics）期刊。

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研究人員展示的光子芯片（位于圖像右側(cè)）包含 40 個(gè)微梳發(fā)生器，寬度僅為 5 毫米。

當(dāng)前全球400余臺(tái)原子鐘支撐著電子設(shè)備的高精度授時(shí)與定位。無論是機(jī)械鐘表、智能手表還是原子鐘，其核心均由兩部分構(gòu)成：振蕩器與計(jì)數(shù)器。振蕩器以固定頻率周期性振動(dòng)，計(jì)數(shù)器則記錄振動(dòng)周期數(shù)。原子鐘通過測量原子在兩種能級(jí)間躍遷的振蕩頻率實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)，其精度可達(dá)微波頻段的十億分之一。

近年來，研究者嘗試用激光替代微波激發(fā)原子振蕩，催生了光學(xué)原子鐘。這類時(shí)鐘如同刻度極細(xì)的“光尺”，將1秒切分為更細(xì)微的時(shí)間片段，使時(shí)間與位置指示精度躍升數(shù)千倍。

傳統(tǒng)光學(xué)原子鐘依賴復(fù)雜激光系統(tǒng)與光學(xué)元件，體積龐大，僅能部署于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。研究團(tuán)隊(duì)通過引入芯片級(jí)光頻梳，攻克了系統(tǒng)小型化難題。光頻梳可產(chǎn)生均勻分布的光譜頻率，其原理類似梳齒排列。“通過將某一梳齒頻率鎖定至激光頻率，再與原子鐘振蕩同步，我們實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的高精度傳遞。”普渡大學(xué)共同通訊作者M(jìn)inghao Qi教授解釋道。

光學(xué)原子鐘的振蕩頻率高達(dá)數(shù)百太赫茲（THz），遠(yuǎn)超電子電路直接計(jì)數(shù)的能力。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的微梳芯片充當(dāng)了光信號(hào)與射頻信號(hào)間的橋梁，將原子鐘的高頻振蕩轉(zhuǎn)換為可處理的低頻信號(hào)。查爾默斯理工大學(xué)光子學(xué)教授Victor Torres Company強(qiáng)調(diào)：“微梳的微型化特性在保持精度的同時(shí)，顯著縮小了系統(tǒng)體積。”

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Minghao Qi 教授在實(shí)驗(yàn)室中展示微梳芯片

系統(tǒng)穩(wěn)定性要求光頻梳頻率與原子鐘信號(hào)精確對(duì)齊，并實(shí)現(xiàn)“自參考”（self-reference）。研究第一作者Kaiyi Wu博士指出，單一光頻梳無法滿足需求，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用雙微梳配對(duì)方案：兩套光頻梳的齒間距（頻率間隔）接近但存在微小偏移（如20 GHz），通過偏移頻率生成可電子檢測的時(shí)鐘信號(hào)，從而將原子鐘的時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)化為易處理的射頻信號(hào)。

新系統(tǒng)采用集成光子學(xué)技術(shù)，將光頻梳、原子源、激光器等組件集成于微米至毫米級(jí)芯片，大幅降低尺寸與重量。Kaiyi Wu博士表示：“這項(xiàng)技術(shù)為量產(chǎn)鋪平道路，使光學(xué)原子鐘成本下降、適用性擴(kuò)展。”盡管仍需調(diào)制器、探測器等外圍組件，但研究已展示出芯片級(jí)系統(tǒng)的可行架構(gòu)。

未來，材料與制造技術(shù)的進(jìn)步有望進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，推動(dòng)超精密計(jì)時(shí)成為移動(dòng)設(shè)備的標(biāo)配功能。

正如Victor Torres Company所展望：“我們正邁向一個(gè)手機(jī)和電腦內(nèi)置原子鐘的時(shí)代，厘米級(jí)定位與微秒級(jí)同步將徹底改變無人駕駛、通信網(wǎng)絡(luò)與地球科學(xué)監(jiān)測。”

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-025-01617-0