光學原子鐘有望將手機、計算機和導航系統中的時間與地理定位精度提升千倍，但受限于體積龐大與結構復雜，其廣泛應用仍面臨挑戰(zhàn)。

近日，美國普渡大學與瑞典查爾默斯理工大學的研究團隊開發(fā)出一項創(chuàng)新技術，通過集成微型芯片級“光頻梳”（microcomb），成功將超精密光學原子鐘系統大幅小型化，為導航、自動駕駛及地理數據監(jiān)測等領域帶來革命性進步。相關成果發(fā)表于《自然·光子學》（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）包含 40 個微梳發(fā)生器，寬度僅為 5 毫米。

當前全球400余臺原子鐘支撐著電子設備的高精度授時與定位。無論是機械鐘表、智能手表還是原子鐘，其核心均由兩部分構成：振蕩器與計數器。振蕩器以固定頻率周期性振動，計數器則記錄振動周期數。原子鐘通過測量原子在兩種能級間躍遷的振蕩頻率實現計時，其精度可達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，催生了光學原子鐘。這類時鐘如同刻度極細的“光尺”，將1秒切分為更細微的時間片段，使時間與位置指示精度躍升數千倍。

傳統光學原子鐘依賴復雜激光系統與光學元件，體積龐大，僅能部署于實驗室環(huán)境。研究團隊通過引入芯片級光頻梳，攻克了系統小型化難題。光頻梳可產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，我們實現了信號的高精度傳遞�！逼斩纱髮W共同通訊作者Minghao Qi教授解釋道。

光學原子鐘的振蕩頻率高達數百太赫茲（THz），遠超電子電路直接計數的能力。研究團隊開發(fā)的微梳芯片充當了光信號與射頻信號間的橋梁，將原子鐘的高頻振蕩轉換為可處理的低頻信號。查爾默斯理工大學光子學教授Victor Torres Company強調：“微梳的微型化特性在保持精度的同時，顯著縮小了系統體積。”

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Minghao Qi 教授在實驗室中展示微梳芯片

系統穩(wěn)定性要求光頻梳頻率與原子鐘信號精確對齊，并實現“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，團隊創(chuàng)新性地采用雙微梳配對方案：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鐘信號，從而將原子鐘的時間信號轉化為易處理的射頻信號。

新系統采用集成光子學技術，將光頻梳、原子源、激光器等組件集成于微米至毫米級芯片，大幅降低尺寸與重量。Kaiyi Wu博士表示：“這項技術為量產鋪平道路，使光學原子鐘成本下降、適用性擴展�！北M管仍需調制器、探測器等外圍組件，但研究已展示出芯片級系統的可行架構。

未來，材料與制造技術的進步有望進一步優(yōu)化系統，推動超精密計時成為移動設備的標配功能。

正如Victor Torres Company所展望：“我們正邁向一個手機和電腦內置原子鐘的時代，厘米級定位與微秒級同步將徹底改變無人駕駛、通信網絡與地球科學監(jiān)測�！�

相關鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-025-01617-0