美國GPS精度或飆升100倍？光學原子鐘取得決定性突破！

這可能是一項革命性的突破！美國領銜的國際科研團隊，開發出了一種指甲蓋大小的芯片，可以將光學原子鐘從衛生間大小，縮小到能夠裝入GPS衛星，從而把導航精度提高100倍到釐米級！ 這項研究已發表在2月19日權威期刊《自然·光子學》上。

現在的衛星導航精度約在米級，如果你想讓汽車精確導航到某條車道，甚至知道到車道線的距離；或者地質學家能夠監測到地殼每釐米的移動……這需要導航精度提升100倍到釐米級，而其中最大的關鍵，就是需要在衛星上安裝一個更精確的原子鐘。

因爲GPS本質是通過測量信號傳播時間來計算距離的，時間越精確，導航精度就越高。目前GPS衛星使用的傳統原子鐘，最高可達30萬年誤差一秒，而目前我們還有一種光學原子鐘，誤差僅爲數十億年一秒。

大聰明肯定要問了，那幹嘛不用光學原子鐘啊？

因爲這種“神鍾”非常龐大，在實驗室裏要佔幾個平方米，和你家衛生間差不多大，並且需要專業人員維護，還需要複雜的激光系統和光學設備支持。

簡單來說，要把這樣的"龐然大物"放進衛星，那就是要把一頭大象塞進冰箱！

故事的轉折發生普渡大學和查爾默斯理工大學的實驗室裏。他們正在研究微型光學頻梳——一種能產生等間距光頻率的芯片。當他們發現這種芯片可以像“齒輪組”一樣工作，把超高頻的光信號轉換爲低頻的無線電信號時，突然意識到——這不正是微型化光學原子鐘所需要的嗎？

就像是拼圖的最後一塊終於找到了，團隊高興壞了。但很快，他們就遇到了第一個挫折。

微型頻梳的頻率間隔（大約1太赫茲）太大了，無法與特定的原子躍遷頻率精確匹配。另外，這種高頻信號電子設備根本無法測量和使用，研究陷入了困境。

就在此時，維克托·託雷斯教授靈光一閃，提出了一個大膽的想法，如果使用兩個微型頻梳，讓它們的頻率間隔稍有差異，會怎麼樣呢？

這個靈感來自於一個古老的測量工具——遊標卡尺。通過兩個尺度的相互配合，遊標卡尺能實現更精確的測量。同樣，兩個微型頻梳的組合，也可能實現更精確的頻率轉換。

團隊立即設計了兩個微型光學頻梳，一個重複率約爲896吉赫茲，另一個約爲876吉赫茲。它們共享同一個1550納米的泵浦激光，各自產生從1微米到2微米的寬譜光頻。

神奇的事情發生了！這兩個頻梳間的拍頻產生了約19.7吉赫茲的信號——這個頻率低到可以被電子設備直接測量！

這簡直是個魔法！也就是說，他們成功地將344太赫茲的激光信號轉換成了235兆赫茲的無線電信號，分頻因子高達17,292！

然而，當他們測量系統的穩定性時，卻再次被潑了一盆冷水，頻率波動太大了！連接芯片的光纖產生了相位擾動，就像一個看不見的幽靈在不斷干擾信號。

研究團隊沒有放棄，另闢蹊徑設計了一種巧妙的電子混頻技術，成功地將干擾噪聲降低了5倍，系統穩定性達到了約3×10^-13/τ，在1000秒測量時間下達到約2×10^-15。

最終經過無數次實驗和改進，研究團隊成功將871納米激光（調諧至接近銥離子鐘的躍遷波長）的頻率穩定性成功轉移到了射頻信號上。這意味着，微型光學原子鐘的核心技術已經突破，GPS可以實現僅幾釐米的精度了。

未來的GPS不僅能告訴你在哪條街上，還能精確到你在哪個車道，甚至是車道中的哪個位置！自動駕駛汽車將能夠在擁擠的街道上精確導航，地震監測系統能夠檢測到微小的地殼變動，甚至手術機器人也能精確定位到毫米級別。

儘管取得了重大突破，但研究團隊坦言，距離完全實用化的光學原子鐘還有一段路要走。除了微型頻梳，光學原子鐘還需要光放大器、調製器等組件，下一步目標是將這些元件也集成到芯片上，實現光學原子鐘的完全微型化和大規模生產。

此外，芯片的長期穩定性、在太空環境中的表現、以及與原子參考源的完美集成，也是未來需要解決的問題。

不過，這項研究已經向真正實用化的微型光學原子鐘邁出了決定性的一步。正如查爾默斯理工大學的託雷斯教授所說：這將開啓高精度定位技術的新紀元！

參考文獻：

Wu, K., O’Malley, N.P., Fatema, S. et al. Vernier microcombs for integrated optical atomic clocks. Nat. Photon. (2025). https://doi.org/10.1038/s41566-025-01617-0