国内首条芯片原子钟打破国外垄断实现量产，原子钟到底能做什么？

芯片级分子时钟作为新一代颠覆性时频技术，是一种具有“原子钟”级稳定性、且可广泛规模部署的小型化时间基准。

天津华信泰科技有限公司建设的国内首条芯片原子钟生产线日前在滨海高新区落成投产。该条生产线可达到年产3万台的生产能力，其落成投产表明我国在芯片原子钟领域打破国外垄断，突破关键器件“卡脖子”问题，满足国内该技术产品在相关领域的迫切需求。

芯片原子钟属于电子信息技术中时间频率技术领域的核心基础器件，具有授时精准度高、功耗低、体积小等特点，适用于卫星导航授时、通信同步、水下探测等应用领域，具有广泛的应用空间。

芯片原子钟是原子钟领域的新产品，由于它的出现，推动了海底勘探节点（OBN）的研制，海底石油勘探发生了革命性升级，实现了全水域、高效率、采集道数不受限、勘探成本大幅下降等诸多优点。

传统的石油勘探一般采用线缆的方式，如果采用OBN海底勘探技术将大大提高勘探效率。石油勘探的时候，可以在海底投放上万个以芯片原子钟作为核心器件的OBN节点，每一个节点都严格要求时间同步，1个月漂移不能超过1毫秒。利用以芯片原子钟作为核心器件的OBN节点勘探比传统操作更加方便，不仅成本低、精准度高，而且还进一步提高了勘探面积。


1、颠覆时频技术领域

时间基准是非常重要的电子基础设施之一。小型化的量子时间传感器，在未来高速无线接入网络的时钟同步和无 GPS 条件下的微型定位、导航、授时（μPNT）服务中发挥核心的作用。

传统的晶体振荡器（石英/MEMS）存在难以解决的中长期频率漂移问题。而传统原子时钟虽然具备优异的长期稳定性，但其光电架构复杂，因而造价高昂，难以大规模部署。此外，被寄予厚望的小型化光钟存在难以解决的光频梳稳定性和小型化光源质量等问题。

芯片级原子时钟是王成在麻省理工学院读博期间的研究成果。当前高性能集成电路技术的发展，已经可以把高度集成的波普探测系统集成在一块 CMOS 芯片上。

在博士导师韩若楠教授指导下，王成博士选择了极性气体硫化羰分子在太赫兹频段的旋高品质因子转谱线频率做为时钟参考，并研制了高集成度的 CMOS 波谱探测片上系统级芯片和小型化分子气室，发展出第一代芯片级分子时钟。

IEEE 固态电路协会（SSCS）主席、美国德州大学达拉斯分校肯尼斯·K·O（Kenneth K.O.）教授评价道：“由于谱线的高 Q 值，旋转谱仪需要昂贵的精确频率参考。但幸运的是，这可以通过使用已知谱线作为参考来解决。该工作使用旋转谱线成功实现了好于十亿分之一的频率稳定度。”

日本东京工业大学冈田贤一（Kenichi Okada）教授在领域旗舰期刊 JSSC 上评价道：“芯片级分子时钟具有低功耗、低成本、高可靠性和简化的系统实现的优势。”

2020 年，第二代芯片级分子时钟在集成电路领域旗舰会议国际固态电路会议（ISSCC）上发表，并进行了现场技术展示[2]。2021 年王成回国之后，在国家自然科学基金委海外优秀青年基金的支持下，积极展开性能更加优异的改进分子时钟研究。

他表示：“将该技术应用在下一代无线通信网络时频同步技术和微型定位、导航、授时设备 µPNT 中，可取代复杂、昂贵、低可靠性的小型化铷钟和芯片级原子时钟，大幅降低授时网络失效概率，提高分布式传感网络探测精度。”

2022 年 6 月，第三代芯片级分子时钟亮相射频集成电路会议 RFIC，受到广泛关注。目前，该技术已经完成两代实验室级和三代芯片级原型，正在开发芯片级分子时钟的样机，推进工程化进程中。

“我们正不断深入芯片级分子时钟的研究，以挖掘其性能极限。预期在三至四年内完成该技术的实用部署。”王成说。


2、原子钟重新定义“精准”

事实上，原子钟所运用的领域要更高端一些，比如航天和军事。而GPS之所以能进行精准定位，其核心原因就在于卫星上搭载的原子钟。

为了能够消除这种误差，就需要原子钟来对时间进行测算，要知道，就是卫星定位的基本原理，是同时间内被三个卫星同时锁定，并获取到三个不同方向的坐标点，人们通过这三个坐标点的规律，就能推断出自己的精准定位。

但要做到这一切的前提，则是定位人需要知晓自己与卫星之间的距离，而通过原子钟，定位人就能迅速知晓信息收发的时间差，之后再用该时间乘上光速，就能得出定位人与卫星间的距离，从而就能够判断出自己所处的坐标。

当然，也正是源于这一原理，使得原子钟本身也肩负着一个重任，那就是测算太空飞行器与地球间的距离，只要该距离能够完成评估，那人类就能远程为太空飞行器进行导航，使飞行器能够更好地在太空进行航行。

现在很多高科技领域都需要精确的计时，使用的都是原子钟，比如卫星导航系统。原子钟是通过电子等微观粒子的跃迁节奏确定时间的，铯原子、氢原子、汞原子、铷原子、锶原子等都已经被科学家广泛用于研制原子钟。

有人已经将铯原子钟做到了2,000万年误差一秒，而几年前我国天宫二号上放置的冷原子钟则做到了3,000万年误差一秒。

但这还并非是目前最精确的，已有光学原子钟可以做到运行一二百亿年也不会差一秒，或者说从宇宙诞生开始一直运行到今天，它的误差也不会超过一秒。

这样的计时精确度足够高了吧？然而科学家们并没有停下脚步，仍然在向着更高的计时精度努力，如今世界顶尖的计时研究专家正在研制一种比原子钟更精确的时钟——核钟，理论上讲它的精度可以达到光学研制中的至少10倍以上，可将计时的精确度推向新的极致。