原子钟越来越精确，越来越小，越来越轻

文章：John Walko

原子钟首次在20世纪60年代中期建造和使用，具体目的是重新定义分秒的第二个，这是一个继续持续时间考验的定义。

原子钟的工作原理是计算铯原子的电子自旋的翻转频率。因此，它们非常精确，使频率和时间成为迄今为止所有物理量中测量得最精确的。

原子共振是如此的灵敏，以至于它可以分辨出一个标准的石英晶体时钟与正确时间的偏差小于十亿分之一，也就是10¹⁵。

为了实现如此高的时序分辨率，原子钟在锶原子中使用超窄的过渡，从而提供比原子特征较窄的铷对应物更好的性能。

简单地说，原子跃迁越窄，原子钟就越精确。

这就是为什么今天的卫星导航系统(比如GPS)如此有用的一个关键原因。事实上，有些人认为，如果没有原子钟，我们就不会享受到GPS的好处(偶尔也会遇到挫折)。

一些将GNSS卫星作用到挂接到发送时间信号的无线电的精确原子时钟。定时数据被翻译成准确的三维位置信息 - 纬度，经度和高度 - 以及方向和速度。

自1960年代中期以来，科学家和工程师通过数量级提高了每十年的准确性。

这项工作仍在快速进行。

虽然正在进行的努力使原子钟更准确 - 重要，而且大多数更小和更轻 - 大多数都没有专注于卫星导航应用。例如，在设计能够测量原子的振动的原子钟增加，提供足够的准确性以检测诸如暗物质和引力波等的足够精度。

考虑到这一点，我们注意到麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的物理学家们最近透露，他们建造了一个原子钟，它测量的不是现在最好的设计所测量的一团随机振荡的原子，而是被量子纠缠的原子。万博投注网址这开启了量子物理的一个全新世界。

至于GNSS定位技术，几家英国公司和大学已经开始合作，通过提高准确度和小型化，使原子钟更易于使用和实用。

领导这项工作的是苏格兰格拉斯哥的开尔文纳米技术，他是先进光子学和量子元件方面的专家。该项目还包括另一家总部位于格拉斯哥的设计专家WideBlue，以及来自伯明翰大学和斯特拉斯克莱德大学的研究人员。

Kelvin NanoTechnology将使光栅电流（磁光陷阱）和由WindowBlue设计的紧凑型准直光学。Strathclyde大学将设计Gwot芯片，伯明翰的同行负责测试原型光学系统。

开尔文纳米技术项目的高级研究员James McGilligan说，这项合作的重点是通过“将光学限制减少到可伸缩的微型制造组件，作为将实验室性能带入现实应用的关键步骤”来缩放原子钟。

该项目计划持续约18个月。McGilliagan说:“虽然原子钟已经非常精确了，但我们正专注于先进的微细加工技术和激光冷却光学的改进，以显著降低下一代便携式原子钟的尺寸和重量。EE倍。

Kelvin纳米技术的业务发展经理David Burt表示，重量考虑仍然是卫星导航系统中使用的焦点原子钟，仍然是“我们在其他部门的许多商业机会，包括防御，海底石油和矿物勘探。”

斯特拉斯克莱德大学物理系的保罗·格里芬(Paul Griffin)是该大学的首席研究员，他表示，该项目“正迎头解决一个难题，即将实验室的研究级技术应用到实际的、可扩展的量子设备中。”

Griffin表示具有复杂的内部结构的原子，如锶和镱，使得能够的时间和重力测量的敏感性进展。“在过去十年中，我们在Strathclyde的团队表明了如何将激光冷却碱原子的技术减少到从单个电池供电的简单手持设备。”

该项目还旨在开发用于激光冷却和操作锶原子的新工具。Griffin说:“我们的目标是，在五年内，超冷锶原子的核心硬件将成为一个现成的组件，这将不仅是计时的变革，而且是量子计算等应用的变革。”

科罗拉多大学的物理学家最近报道光学时钟的进步，通过两个建筑物之间的激光束连接器件。时钟基于锶，YTTerbium和铝原子。基于锶的钟表位于校园内，而另外两个被居住1.5公里国家标准和技术研究所博尔德实验室。

时钟彼此同意在10分之一的1部分内^18，足够精确地检测时空连续体和引力波的扭曲。

移动原子钟

另一个研究项目试图完全消除对卫星的需要。苏塞克斯大学(University of Sussex)的研究人员正在开发一种便携式原子钟，这种原子钟有一天可能会被集成到手机、无人驾驶汽车或无人机中。

利用激光束技术，研究人员声称在原子钟的一个关键元素——柳叶刀的效率上取得了进步。也就是负责计数的部件，类似于机械钟中的钟摆。

据该大学Emergent Photonics实验室的首席研究员Alessia Pasquazi称，当用户开车通过隧道或卫星信号强度较弱的城市地区时，便携式原子钟可以获取地图数据。

帕斯夸齐说，便携式原子钟将依赖于一种极其精确的地理地图，使人们能够在不需要卫星信号的情况下访问一个位置和规划的路线。“这一突破使柳叶刀的效率提高了80%，”她在一次采访中说。

这个参考，相当于传统时钟中的钟摆，是由一个被限制在一个室内的单个原子的量子特性推导出来的——一个光束每秒振荡数百万亿次的电磁场。在这种速度下所需的时钟计数元件是一个光学频率梳，这是一种高度专业化的激光器，同时发射出许多颜色，在频率上均匀间隔。

通过利用微小的光学微谐振器，微梳可以非常有效地降低频率梳的尺寸，但帕斯夸齐指出，它们也是非常精密的设备，操作起来很复杂，因此很难在实际原子钟中使用。

苏塞克斯研究人员声称一个突破随着高效微梳的开发，利用一种称为“激光腔孤子”的特殊类型的波浪。孤子尤其坚固，可以在很长的距离上旅行不受干扰。

苏塞克斯研究小组使用了光脉冲，这些光脉冲被限制在芯片上的一个很小的腔内。Pasquazi说:“在这种组合中传播的孤子具有充分利用微腔产生多种颜色的能力的优点，同时也提供了脉冲激光控制的鲁棒性和多功能性。”

下一步是将基于芯片的技术转移到光纤技术。该设备最终将与目前正在开发的“超紧凑”原子参考集成。

研究人员希望在五年内与英国航空航天工业的合作伙伴一起制造出实用的原子钟。然后，他们将专注于将这些技术集成到便携式原子钟中，并最终将其应用到移动电话等消费设备中。

然而，消费者申请仍然存在抱负。“它可能需要再去那儿才能到达那里，”Pasquazi承认。“虽然我的一部分是一个漂亮的先进，我们现在正在寻求资金来制作芯片，我的同事们正在寻找地理位置和导航方面，并用孤子设备开发一个非常有效的原子参考和集成。当然有更大的挑战。“

陆地GNSS

避免对GNSS卫星的需求仍然是一个挑战，并将所有内容集成在芯片尺度上可以证明同样困难。“我们产生了鞋盒尺寸的原型。但这已经是所有导航卫星正在进行的原子钟的大小和重量的大大改善，“她注意到了。

不管怎样，Pasquazi说:“我们肯定可以提高下一代GNSS系统的性能和安全性，有更好的时间参考和导航特性，可以在需要的时候作为一种独立的备份。”

在美国皇家工程学院的一系列报告中突出了对陆地GNSS替代方案的越来越多。那个报告警告说，“社会可能已经在卫星无线电导航系统上危险地过度依赖。”

该研究指出，GPS的一个重大故障可能会导致多个服务同时失效，包括许多被认为是相互独立的服务。报告指出:“在GNSS的所有关键用途中，使用非GNSS备份是很重要的。”

漏洞从信号干扰到太阳耀斑的干扰。

该研究院建议部署广泛可用的定位、导航和授时服务，作为全球导航系统的替代方案。这一举措将有助于保障国家基础设施的安全。

一个叫做陆地无线电导航系统eloran.是地面备份选项之一。