原子钟为什么能够实现最精确的测量？有哪些应用？
最早的原子钟出现在1960年代中期，它的目标很明确，就是重新定义秒，而这一定义也经受住了时间的考验。原子钟通过计算铯原子电子自旋的翻转频率来工作，可以非常精确地测量频率和时间，是目前为止所有物理量中最精确的测量。
原子共振非常精确，甚至可以辨别标准石英时钟与正确时间之间1015分之一的误差。如此高的时间分辨率，原子钟利用了锶原子的超窄跃迁特性，其性能优于铷原子好几个数量级。简单来说，原子跃迁越窄，原子钟就越准。这也是现今的卫星导航系统(例如GPS)为什么如此有用的一个主要原因。的确，有些人认为，如果没有原子钟，人们就无法享受GPS带来的好处，甚至时而会抓狂。
有人将GNSS卫星看作利用无线电发射时间信号的精确原子钟。授时数据被转换为精确的三维位置信息——纬度、经度和高度，以及方向和速度。
自1960年代中叶以来，科学家和工程师们每隔十年就将其精确度提高一个数量级，现在发展更快了。设计人员一直在努力使原子钟更加精确，更重要的是使它体积更小，重量更轻，但大多都没有将重点放在卫星导航应用上。例如，设计人员越来越重视能够测量原子振动的原子钟，可以提供足够的精度来检测诸如暗物质和重力波之类的现象。
麻省理工学院的物理学家最近透露，他们设计出了一种新型的原子钟，它测量的是被量子纠缠的原子，而不是像现在最好的设计那样，测量随机振荡的原子云，这为人们打开了通往一个全新量子物理学世界的大门。
至于GNSS定位技术，英国已经有多家公司与大学合作，通过提高原子钟精度及减小外型尺寸使其更加实用。这项工作由位于苏格兰格拉斯哥的先进光子和量子领域的专业技术公司Kelvin Nanotechnology牵头，合作方包括格拉斯哥的另一个专业设计公司WideBlue，以及伯明翰大学和斯特拉斯克莱德大学的研究人员。
WideBlue公司设计的光栅磁光阱(gMOT)和紧凑型准直光学系统，由Kelvin Nanotechnology公司负责制造。斯特拉斯克莱德大学负责设计gMOT芯片，而伯明翰的研究人员则负责测试光学系统原型机。Kelvin Nanotechnology公司项目高级研究员James McGilligan表示，此次合作的重点是减小可扩展微加工组件的光流约束，使原子钟外型更小，若想原子钟在现实应用中获得与实验室同样的性能，这一步骤至关重要。
该项目计划持续大约18个月。McGilliagan告诉笔者，“原子钟已经非常精确，我们的重点是改进微加工技术和激光冷却光学器件，从而大大减小下一代便携式原子钟的尺寸和重量。”
Kelvin Nanotechnology公司的业务发展经理David Burt说，将原子钟应用于卫星导航系统时，重量仍然是需要重点考虑的因素。同时，“我们也看到了其他领域的许多商业机会，包括国防、海底石油和矿物勘探。”
斯特拉斯克莱德大学物理系的Paul Griffin(他也是该大学的首席研究员)认为，这一项目“直接让研究技术从实验室进入到实用且可扩展的量子设备，这曾经是一大难题。”Griffin说，内部结构复杂的原子(例如锶和镱)可用来提高量子测量时间和重力的灵敏度。“过去十年中，我们的斯特拉斯克莱德大学团队实现了在单电池供电的简单手持设备中使用激光冷却碱原子技术。”这一项目还将开发用于激光冷却和锶原子控制的新工具。Griffin说：“我们的目标是在五年内将超冷锶原子的核心硬件做成现成组件，这不仅对于授时是革命性的进步，对量子计算等应用也一样。”
图1：用于原子钟开发的激光系统。(图片来源：NIST，科罗拉多州博尔德)
科罗拉多大学的物理学家在光学时钟研究中也取得了新进展，他们基于锶、镱和铝原子设计而成的光学时钟，可以通过激光束连接两座建筑物之间的设备。其中锶时钟位于校园内，另外两个时钟位于1.5公里之外的美国国家标准技术研究院Boulder实验室。图1所示为用于原子钟开发的激光系统。三个时钟之间的误差小于1018分之一，这一数据足够精确，因此可以检测时空连续体和引力波的弯曲。
便携式原子钟
与此同时，萨塞克斯大学的研究人员也在开发一种便携式原子钟，其目的是希望消除对卫星的完全依赖。未来有一天，这种原子钟可以集成到手机、无人驾驶汽车或无人机中。
研究人员称，利用激光束技术，原子钟关键元件(原子钟摆，一种类似于机械钟摆、负责计数的组件)的效率得到了提高。萨塞克斯大学新兴光子学实验室首席研究员Alessia Pasquazi表示，当用户开车穿过卫星信号强度较弱的隧道或市区时，便携式原子钟仍然能够读取地图数据。Pasquazi认为，便携式原子钟无需卫星信号，而是依靠极为精确的地理映射来获得位置和规划路线。她在一次采访中说：“这一突破性进展将原子钟摆的效率提高了80％。”
原子钟的基准组件(相当于传统时钟的钟摆)是基于封闭在腔室中的单个原子的量子特性，即每秒振荡数万亿次的光束的电磁场而设计的。达到这种速度的时钟计数元件叫做光学频率梳，这是一种极其特殊的激光器，可以同时发出多种颜色，而且频率间隔均匀。
微光梳则利用微型光学微谐振器有效缩小了频率梳的尺寸，不过Pasquazi指出，微光梳是一种极为脆弱的元件，操作复杂，因此难以满足原子钟的实用性需求。萨塞克斯大学的研究人员称开发中的高效微光梳取得了突破性进展，他们使用了一种称为“激光腔孤子”的特殊类型的波，孤子非常稳健，可以在很长的距离内不受干扰进行传输。萨塞克斯团队使用限定在芯片微腔中的光脉冲，Pasquazi说：“在这种情形下传输的孤子可以充分利用微腔产生多种颜色的能力，同时还使脉冲激光的控制更加稳健、更加实用。”
下一步是将基于芯片的技术转化为光纤技术，原子钟最终将与正在开发的“超小型”原子基准组件集成在一起。
研究人员希望与英国航空航天业的合作伙伴一起，在五年内生产出实用的原子钟，然后再集中精力将这种技术应用到便携式原子钟，并最终应用于移动电话等消费类设备中。
但是，消费者应用仍然只是一种理想。“我们可能还需要20年才能实现这个理想，”Pasquazi承认，“我这一部分项目进展相当快，但目前仍缺乏制造芯片的资金。而那些研究地理位置和导航技术的同事则面临很大的挑战，他们正在开发一种真正有效的原子基准组件，并计划将该组件与孤子设备集成在一起。”
地面GNSS
未来不再使用GNSS卫星的目标仍然是一个极大的挑战，而在芯片级集成所有器件也同样困难。“我们生产的原型机可能只有一个鞋盒那么大，这已经是所有导航卫星中尺寸和重量最小的新一代原子钟了。”
无论哪种方式，“我们一定可以改善下一代GNSS系统的性能和安全性，提供更好的时间基准和导航能力，并在需要时作为独立的备用系统使用。”Pasquazi说。
英国皇家工程学院发布了一系列报告，最新的一份报告强调了对地面GNSS替代方案的需求日益增长。该报告发出警告：“整个社会对卫星无线电导航系统的过度依赖已经到了危险的边缘。”研究指出，GPS如果发生重大故障，可能会导致许多服务同时中断，包括许多看似毫不相关服务。报告指出：“对于所有重要的GNSS应用，部署非GNSS备用方案至关重要。”
GNSS应用的漏洞范围也很广，从信号干扰到太阳耀斑干扰。该学院建议部署方便大家使用的定位、导航和授时服务作为GNSS服务的后备，将有助于确保国家基础设施的安全。报告还提到了一种称为eLORAN的地面无线电导航系统，它也可以作为地面备用系统的一种选择。
（原文刊登于EDN姐妹网站EETimes美国版，参考链接：Atomic Clocks Get Smaller, Lighter, More Precise，由Jenny Liao编译。）
本文为《电子技术设计》2021年8月刊杂志文章。