便携式光学原子钟首次商用 - 物理世界

原子是世界上最精确的计时器，以至于秒被定义为铯原子钟的 9 192 631 770 滴答声。 这些原子精确时钟的商用版本支撑着 GPS、导航、数据传输和金融市场，它们以微波频率或每秒数十亿次滴答声运行。 一天后，他们的计时误差不到十纳秒。

尽管如此，下一代原子钟甚至更加精确。 这些基于实验室的结构以光频率运行，这意味着它们每秒滴答数十万亿次。 其中最好的可以保持精确到 10 飞秒（10^-15 s) 一天后，或50亿年后一秒内。 很快，您将第一次能够购买自己的产品：Vector Atomic，一家位于美国加利福尼亚州的初创公司，已经将 市场上第一款便携式光学时钟.

“如今你唯一能买到的时钟是微波炉时钟，”说 乔纳森·霍夫曼是美国国防高级研究计划局 (DARPA) 的项目经理，该机构资助了这项工作。 “如果采用光学转换，精度、准确度和性能都会得到巨大的提高，但同时它通常也会带来令人难以置信的复杂性。 找到一个愉快的妥协才是真正的战斗。”

寻找正确的原子

光学时钟与其微波前辈之间的主要区别在于激光器。 为了建造尽可能精确的时钟，科学家使用提供最窄原子跃迁的原子（通常是锶或镱），并围绕这些原子的特定要求设计激光系统。 原子被保存在真空室中，使用不同的激光来冷却和捕获它们，而其他激光则阻止不需要的跃迁或询问时钟中使用的所需跃迁。 所有这些激光器总共有十几个，需要稳定在精确的频率，并且维护它们需要持续的监督。

Vector Atomic 首席执行官兼联合创始人表示，为了构建精度较低但更坚固且便携的光学时钟版本 贾米尔·阿博-谢尔 必须采取不同的方法。 “我们不是围绕原子设计系统，而是围绕激光器设计系统，”他说。

Abo-Shaeer 解释说，现有最坚固、最经过时间考验的激光器是用于电信和工业加工的激光器。 得益于多年（甚至几十年）的商业研发，它们极其紧凑和稳定，他和他的团队选择了适合它们的原子种类：分子碘。 该分子在加工中常用的倍频红外激光附近具有方便的跃迁。 该团队还选择了一种简单的蒸汽室设置，以避免将原子冷却到寒冷的温度或将它们限制在超高真空中。

结果是一个交钥匙光学时钟，团队称之为 Evergreen，体积仅为 30 升，大约相当于电唱机的大小。 尽管 Evergreen 的计时精度远未达到实验室的最先进水平，但它比现有同等尺寸的微波时钟精确 100 倍。 它还与基于氢微波激射器的时钟的性能相匹配，氢微波激射器的大小与步入式冰箱一样，对环境噪声极其敏感。

海试

2022 年夏天，长荣号的原型机在海上的一艘船上进行了三周的测试。 在此期间，时钟在没有任何干预的情况下工作。 返回后，团队测试了时钟的性能，发现尽管船上有湍流和温度波动，但它的性能并没有明显下降。 “当这件事发生时，我认为每个人都应该站起来，在屋顶上大声喊叫，”霍夫曼说。 “我的意思是，几十年来人们一直在研究这些光学时钟。 这是光学时钟第一次在现实世界中不受人类干扰地自行运行。”

Abo-Shaeer 表示，Evergreen 的尺寸和稳定性为此类时钟在导航中的广泛采用铺平了道路，特别是在 GPS 信号被阻止或欺骗的情况下； 数据中心和电信协议； 以及出于科学目的同步来自远程探测器的信号。 目前，GPS 的精确度约为三米，但更精确的卫星授时可以将其降低到几厘米或更小，从而使自动驾驶汽车能够保持在车道上，或者送货无人机能够降落在阳台上。 Abo-Shaeer 补充道，能够将时间分成更小的部分也应该允许更高带宽的通信。

便携式光学晶格钟测量海拔

这个特定的时钟是否将为下一代 GPS 和更快的数据传输提供动力还有待观察。 但技术进步仍然很重要，他说 伊丽莎白·唐利位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究所 (NIST) 时间和频率部门负责人。 “未来十年，市场上可能会出现许多其他类型的光学时钟，”未参与 Vector Atomic 工作的 Donley 说道。 “这个东西的核心是碘蒸气电池，但该基础设施也可用于其他类型的时钟。”

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/