我国科研团队研制出全球最小芯片原子钟 体积仅为国际同类产品七分之一

(问题)在卫星导航、低轨卫星互联网、无人系统集群协同等场景中,“精准时间”正成为与算力、通信同等重要的底层能力。

对移动平台而言,时间基准不仅影响定位、授时与导航精度,也关系到通信网络同步、传感器融合、任务协同与安全加密等关键环节。

然而,长期以来,高精度原子钟往往体积较大、功耗较高,难以适配小型化、低能耗、可批量部署的应用需求,成为限制微型平台时频能力提升的重要瓶颈。

(原因)传统原子钟多依赖微波与原子相互作用来获取频率基准,结构复杂,对腔体、磁屏蔽、温控等系统要求高,即便小型化也常面临体积“下不去”、功耗“降不下”的工程约束。

此次武汉大学团队在技术路径上采用微波调制的激光与原子作用获取高精度信号,通过光与原子相互作用的方式提升信噪比与稳定性,并在器件集成、光路微型化、系统封装与工程优化等方面实现突破,使原子钟在维持高稳定频率输出的同时显著压缩体积与能耗,为“芯片化、模块化、规模化”打下基础。

(影响)据报道,该团队研制的芯片原子钟体积约2.3立方厘米,仅拇指盖大小,计时精度达到10⁻¹¹至10⁻¹²量级,约3万多年误差1秒。

与已公开的国外同类产品相比,在主要性能相当的情况下,其体积进一步缩小至约七分之一。

更为重要的是,成果已实现规模化生产,并在微型PNT(定位、导航与授时)、水下授时、低轨卫星、无人机群等时间同步系统中完成应用验证。

业内人士指出,微型高稳时钟的工程化落地,将有助于提升复杂电磁环境与弱信号环境下的自主授时能力,增强系统在“断链”“失锁”“受扰”情况下的稳定运行水平,为多平台协同与分布式系统提供更可靠的时间底座。

(对策)面向更广范围应用,下一步关键在于持续推动“科研成果—工程产品—系统应用”链条贯通:一是加强标准化与一致性评估,围绕长期稳定性、温漂特性、抗振抗冲击与环境适应性建立更完备的测试体系,提升批量产品一致性;二是强化与卫星互联网、北斗应用、无人系统与水下装备等行业用户的联合验证,在真实任务工况中迭代优化封装、功耗与接口协议;三是推动产业链协同,在核心器件、封装材料、精密工艺与检测装备等方面形成配套能力,提升规模化生产效率与可靠性;四是完善应用生态,在时频同步网络、分布式协同、关键基础设施授时等领域探索更多可复制的系统方案,促进从“单点替代”走向“系统升级”。

(前景)随着低轨卫星规模部署、智能网联设备高速增长以及无人系统集群化趋势加速,高精度、低功耗、小体积的时间基准需求将持续扩张。

芯片原子钟作为新一代时频器件,有望在卫星载荷、无人平台、分布式传感网络、应急通信与高可靠工业场景中获得更广泛应用,并进一步带动我国时频基础研究、精密制造与系统集成能力提升。

多方预计,随着成本下降与可靠性验证完善,微型原子钟将从“高端专用”逐步走向“规模部署”,成为支撑新型基础设施的重要底层元件。

武汉大学团队的这一创新成果充分体现了我国高校在基础研究和关键技术攻关中的重要作用。

从实验室原理验证到规模化生产应用,从单项技术突破到系统集成创新,这款世界最小的芯片原子钟见证了我国科研工作者在精密计量领域的执着追求。

随着该技术的进一步推广应用,必将为我国在卫星导航、深海探测、无人系统等战略性新兴产业的发展提供更加坚实的技术支撑,也预示着国内精密科学仪器制造正在向更高层次迈进。