國內首條芯片原子鐘打破國外壟斷實現量產，原子鐘到底能做什么？

芯片級分子時鐘作為新一代顛覆性時頻技術，是一種具有“原子鐘”級穩定性、且可廣泛規模部署的小型化時間基準。

天津華信泰科技有限公司建設的國內首條芯片原子鐘生產線日前在濱海高新區落成投產。該條生產線可達到年產3萬臺的生產能力，其落成投產表明我國在芯片原子鐘領域打破國外壟斷，突破關鍵器件“卡脖子”問題，滿足國內該技術產品在相關領域的迫切需求。

芯片原子鐘屬于電子信息技術中時間頻率技術領域的核心基礎器件，具有授時精準度高、功耗低、體積小等特點，適用于衛星導航授時、通信同步、水下探測等應用領域，具有廣泛的應用空間。

芯片原子鐘是原子鐘領域的新產品，由于它的出現，推動了海底勘探節點（OBN）的研制，海底石油勘探發生了革命性升級，實現了全水域、高效率、采集道數不受限、勘探成本大幅下降等諸多優點。

傳統的石油勘探一般采用線纜的方式，如果采用OBN海底勘探技術將大大提高勘探效率。石油勘探的時候，可以在海底投放上萬個以芯片原子鐘作為核心器件的OBN節點，每一個節點都嚴格要求時間同步，1個月漂移不能超過1毫秒。利用以芯片原子鐘作為核心器件的OBN節點勘探比傳統操作更加方便，不僅成本低、精準度高，而且還進一步提高了勘探面積。


1、顛覆時頻技術領域

時間基準是非常重要的電子基礎設施之一。小型化的量子時間傳感器，在未來高速無線接入網絡的時鐘同步和無 GPS 條件下的微型定位、導航、授時（μPNT）服務中發揮核心的作用。

傳統的晶體振蕩器（石英/MEMS）存在難以解決的中長期頻率漂移問題。而傳統原子時鐘雖然具備優異的長期穩定性，但其光電架構復雜，因而造價高昂，難以大規模部署。此外，被寄予厚望的小型化光鐘存在難以解決的光頻梳穩定性和小型化光源質量等問題。

芯片級原子時鐘是王成在麻省理工學院讀博期間的研究成果。當前高性能集成電路技術的發展，已經可以把高度集成的波普探測系統集成在一塊 CMOS 芯片上。

在博士導師韓若楠教授指導下，王成博士選擇了極性氣體硫化羰分子在太赫茲頻段的旋高品質因子轉譜線頻率做為時鐘參考，并研制了高集成度的 CMOS 波譜探測片上系統級芯片和小型化分子氣室，發展出第一代芯片級分子時鐘。

IEEE 固態電路協會（SSCS）主席、美國德州大學達拉斯分校肯尼斯·K·O（Kenneth K.O.）教授評價道：“由于譜線的高 Q 值，旋轉譜儀需要昂貴的精確頻率參考。但幸運的是，這可以通過使用已知譜線作為參考來解決。該工作使用旋轉譜線成功實現了好于十億分之一的頻率穩定度。”

日本東京工業大學岡田賢一（Kenichi Okada）教授在領域旗艦期刊 JSSC 上評價道：“芯片級分子時鐘具有低功耗、低成本、高可靠性和簡化的系統實現的優勢。”

2020 年，第二代芯片級分子時鐘在集成電路領域旗艦會議國際固態電路會議（ISSCC）上發表，并進行了現場技術展示[2]。2021 年王成回國之后，在國家自然科學基金委海外優秀青年基金的支持下，積極展開性能更加優異的改進分子時鐘研究。

他表示：“將該技術應用在下一代無線通信網絡時頻同步技術和微型定位、導航、授時設備 μPNT 中，可取代復雜、昂貴、低可靠性的小型化銣鐘和芯片級原子時鐘，大幅降低授時網絡失效概率，提高分布式傳感網絡探測精度。”

2022 年 6 月，第三代芯片級分子時鐘亮相射頻集成電路會議 RFIC，受到廣泛關注。目前，該技術已經完成兩代實驗室級和三代芯片級原型，正在開發芯片級分子時鐘的樣機，推進工程化進程中。

“我們正不斷深入芯片級分子時鐘的研究，以挖掘其性能極限。預期在三至四年內完成該技術的實用部署。”王成說。


2、原子鐘重新定義“精準”

事實上，原子鐘所運用的領域要更高端一些，比如航天和軍事。而GPS之所以能進行精準定位，其核心原因就在于衛星上搭載的原子鐘。

為了能夠消除這種誤差，就需要原子鐘來對時間進行測算，要知道，就是衛星定位的基本原理，是同時間內被三個衛星同時鎖定，并獲取到三個不同方向的坐標點，人們通過這三個坐標點的規律，就能推斷出自己的精準定位。

但要做到這一切的前提，則是定位人需要知曉自己與衛星之間的距離，而通過原子鐘，定位人就能迅速知曉信息收發的時間差，之后再用該時間乘上光速，就能得出定位人與衛星間的距離，從而就能夠判斷出自己所處的坐標。

當然，也正是源于這一原理，使得原子鐘本身也肩負著一個重任，那就是測算太空飛行器與地球間的距離，只要該距離能夠完成評估，那人類就能遠程為太空飛行器進行導航，使飛行器能夠更好地在太空進行航行。

現在很多高科技領域都需要精確的計時，使用的都是原子鐘，比如衛星導航系統。原子鐘是通過電子等微觀粒子的躍遷節奏確定時間的，銫原子、氫原子、汞原子、銣原子、鍶原子等都已經被科學家廣泛用于研制原子鐘。

有人已經將銫原子鐘做到了2,000萬年誤差一秒，而幾年前我國天宮二號上放置的冷原子鐘則做到了3,000萬年誤差一秒。

但這還并非是目前最精確的，已有光學原子鐘可以做到運行一二百億年也不會差一秒，或者說從宇宙誕生開始一直運行到今天，它的誤差也不會超過一秒。

這樣的計時精確度足夠高了吧？然而科學家們并沒有停下腳步，仍然在向著更高的計時精度努力，如今世界頂尖的計時研究專家正在研制一種比原子鐘更精確的時鐘——核鐘，理論上講它的精度可以達到光學研制中的至少10倍以上，可將計時的精確度推向新的極致。