微型化技術(shù)利用相干布居俘獲原理，取代笨重的微波腔體，在更小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)原子計(jì)時(shí)。

中國(guó)在精密計(jì)時(shí)領(lǐng)域取得突破，已實(shí)現(xiàn)世界最小原子鐘的量產(chǎn)。這款由武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的器件僅指甲蓋大小，卻具備極高的精度，每3萬(wàn)年誤差不超過(guò)1秒。其緊湊設(shè)計(jì)僅占2.3立方厘米，體積遠(yuǎn)小于美國(guó)主流型號(hào)，更便于集成至無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈及水下平臺(tái)。

研究人員表示，高精度時(shí)間同步對(duì)于精確制導(dǎo)和安全通信至關(guān)重要，有望變革現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)與導(dǎo)航系統(tǒng)。今年1月，英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員已研制出一種便攜式原子噴泉鐘，其體積縮小至傳統(tǒng)設(shè)備的5%，真空系統(tǒng)縮小了20倍。

精密計(jì)時(shí)躍升

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，計(jì)時(shí)至關(guān)重要，即便是納秒級(jí)的延遲都可能決定無(wú)人機(jī)或?qū)梾f(xié)同打擊的成敗。據(jù)報(bào)道，中國(guó)通過(guò)量產(chǎn)世界最小原子鐘，在這一領(lǐng)域邁出了重要一步。這項(xiàng)進(jìn)展或?qū)⒅厮軣o(wú)人機(jī)作戰(zhàn)、水下導(dǎo)航及戰(zhàn)場(chǎng)通信方式。

該器件由武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，精度極高，每3萬(wàn)年誤差不超過(guò)1秒。此類精度可實(shí)現(xiàn)可靠的同步，這對(duì)復(fù)雜軍事行動(dòng)中的目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和安全數(shù)據(jù)交換至關(guān)重要。

該原子鐘體積僅2.3立方厘米，大約相當(dāng)于指甲蓋大小，顯著小于現(xiàn)有型號(hào)，體積不到美國(guó)同類領(lǐng)先產(chǎn)品的七分之一。盡管外形緊湊，其性能卻堪比體積更大的原子鐘。

傳統(tǒng)的原子鐘，即使經(jīng)過(guò)微型化，通常也需要數(shù)百立方厘米的體積，并消耗數(shù)瓦功率。相比之下，這項(xiàng)新設(shè)計(jì)在更小的尺度上實(shí)現(xiàn)了同等精度，為集成至無(wú)人機(jī)、導(dǎo)彈和水下系統(tǒng)等緊湊平臺(tái)提供了可能。

下一代原子鐘

微型化方面的突破得益于一種名為"相干布居俘獲"的量子光學(xué)技術(shù)，該技術(shù)取代了傳統(tǒng)原子鐘中使用的更笨重的微波腔體方法。據(jù)媒體報(bào)道稱，這一轉(zhuǎn)變使得在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)計(jì)時(shí)成為可能。

傳統(tǒng)原子鐘依賴微波腔共振，即微波在諧振腔中與原子相互作用，產(chǎn)生穩(wěn)定頻率。然而，這種方法在尺寸和功耗上受到嚴(yán)格物理限制，使得進(jìn)一步微型化困難重重。

新設(shè)計(jì)則采用包含銣等堿金屬原子的微加工蒸汽腔，并結(jié)合由調(diào)制半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的兩種光學(xué)頻率。當(dāng)頻率差精確匹配原子基態(tài)之間的能隙時(shí)，原子會(huì)進(jìn)入"暗態(tài)"——一種停止吸收光子的量子狀態(tài)。

這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖銳的光學(xué)透射峰，可作為高度穩(wěn)定的頻率參考。由于該系統(tǒng)依賴于緊湊型激光器和芯片級(jí)組件，整個(gè)原子鐘可集成到一個(gè)高效、低功耗的模塊中。

該技術(shù)通過(guò)芯片級(jí)制造實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，在顯著減小尺寸、降低成本和能耗的同時(shí)，為先進(jìn)應(yīng)用保持高精度。

研究團(tuán)隊(duì)指出，當(dāng)前仍面臨挑戰(zhàn)，高昂的成本和嚴(yán)苛的激光器要求限制了其廣泛應(yīng)用。在長(zhǎng)江產(chǎn)業(yè)集團(tuán)的支持下，研究人員致力于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，并預(yù)計(jì)隨著成本下降，芯片級(jí)原子鐘將拓展至軍用和民用通信領(lǐng)域。

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