将光学原子钟塞进手提箱

走进叶军位于美国科罗拉多大学博尔德分校的实验室，有点像走进了一片电子丛林。纵横交错的电线从天花板一直垂到地板上。房间的正中央摆着4张厚重的钢制桌子，桌子上方的金属面板一直延伸到天花板。将其中一块面板滑到一边，你会看到一个由真空腔室、镜子、磁线圈组成的密集网络，以及以精确编排模式反射的激光。这是世界上最精确的时钟之一，它的精确度非常高，每400亿年才会有1秒误差，而400亿年是宇宙年龄的3倍。叶军的原子钟是科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院（NIST）的联合研发项目之一，其有趣之处在于它是光学原子钟，而不是像大多数原子钟那样使用微波。这款时钟跳动的心脏是锶原子，它的“跳动”频率为429太赫兹，即每秒跳动429万亿次。这个频率与可见光谱红色区域较低部分的光频率相同，这一相对较高的频率是时钟具有惊人精确度的核心。通常的原子钟频率在千兆赫兹范围内，即每秒跳动约100亿次。而从微波到光学的转变使叶军研发的时钟精确度有可能达到原来的数万倍。


叶军此前的一位研究生马丁•博伊德（Martin Boyd）与他人共同创立了 Vector Atomic公司，该公司利用叶军的光学时钟技术理念，制造出一款时钟，小到可以放入大号手提箱大小的盒子里。Vector Atomic公司的首席执行官贾米尔•阿博-谢尔（Jamil Abo-Shaeer）表示，Vector Atomic的时钟精确度远不如叶军的时钟，它可能会每3200万年出现1秒的误差。但它也以光学频率运行，可以媲美甚至超越其他商业产品。在过去一年里，除了Vector Atomic公司之外，还有两家公司分别研发出了紧凑型光学原子钟。其中一家是位于美国科罗拉多州博尔德的Infleqtion，另一家是总部位于澳大利亚阿德莱德的QuantX Labs。这些走出实验室的新型时钟具有很强的抗干扰性，能够为军事应用以及数据中心、金融机构和电网提供GPS备份。它们可能会使未来GPS的定位精度提升到厘米级，让自动驾驶汽车保持在车道上行驶，让无人机将包裹精准投送到阳台上，等等。然而，更重要的是，这是在电子和光学领域前沿进行发明的故事。从实验室规模笨重的庞然大物到便携的可靠产品，思维方式发生了重大转变：这些公司的技术员工大多是原子物理学博士，他们从过去不惜一切代价追求精确度，转向专注于紧凑性、耐用性和功耗最小化。他们将突破科学边界的一个想法，变成了拓展技术可能性的一项发明。

像每位科学家一样，叶军的动机是探索宇宙最深邃的奥秘。他希望有朝一日，他在实验室研发的超精密时钟能帮助人们揭开量子引力的秘密，或者帮助理解暗物质的本质。他还陶醉于自己装置的工程复杂性之中。他说：“我喜欢这份工作，因为当你在如此高的精度水平下测量物体时，你教授的所有物理知识都会变得很重要。”例如，如果有人走进实验室，他们身体发出的微量热辐射会使实验室内的原子发生轻微极化，从而改变它们的计时频率。为了保持时钟的精度，你需要控制这种影响。在原子钟里，原子就像一个极其挑剔的“金发姑娘”，能够识别出它们所暴露的电磁辐射频率是太高、太低还是恰到好处。原子钟以电磁辐射源为起点，可能是微波振荡器（比如当前的商用原子钟），也可能是激光器（比如叶军的原子钟）。无论这些辐射源的设计多么精确，它们总会存在一些变化、带宽和抖动，导致它们的频率不规律且不可靠。与这些辐射源不同的是，某种同位素（如铷、铯、锶等）的所有原子都完全相同。而且任何原子都可占据许多离散能级。每一对能级都有自己的能隙，对应一个频率。如果一个原子恰好被与其能隙频率相同的辐射照射，原子就会吸收该辐射，电子会跃迁到更高的能级。不久，当这些电子跳回较低的能级时，原子将重新发射辐射。在时钟运行过程中，一个极其稳定（但不可避免地仍会有些宽带抖动）的辐射源照射着原子。只有当辐射源的频率恰到好处时，电子才会被激发并跃迁到不同的能级。探测器会观察原子吸收了多少辐射（或者根据结构的不同，观察它们后来重新发射了多少辐射），并报告传入的频率是过高还是过低。然后，有源反馈将辐射源的频率稳定到原子所选择的频率。这一精确频率被送入一个计数器，可以计算电磁辐射的波峰和波谷，即原子钟的跳动。这种稳定的计数是一个超高精度频率基准，换句话说，就是时钟。有很多因素会影响时钟的精度。如果原子在运动，从原子的参考点发出的辐射频率就会因多普勒效应而改变，导致不同的原子根据它们的速度选择不同的频率。外部的电场或磁场，甚至是人体散发出的热量，都可以改变原子的偏好频率。振动会使激光源的频率发生重大偏移，导致原子完全停止响应，从而破坏反馈回路。叶军选择了其中最挑剔的一种原子——能提供极高精度的锶原子。为了尽量减少热量产生的干扰，叶军团队使用多个激光将原子冷却到接近绝对零度。为了更好地探测原子的信号，他们利用另一种激光器将原子限制在一个周期性晶格中——这个晶格的形状就像一个蛋盒。这种装置创造了几个独立的原子组，可以相互比较，从而获得更精确的测量结果。总的来说，叶军实验室使用了7种不同颜色的激光进行冷却、捕获、准备时钟状态和探测，所有这些都是根据原子的特定需求来确定的。这些激光使时钟具有惊人的精确度，但它们也很昂贵，并且会占用大量空间。除了光源本身外，每种激光都需要一系列光学控制元件，将其调整到正确的频率并协调方位对准，而这些元件很容易错位或稍微偏离其目标颜色。“激光是一个薄弱环节。”叶军说，“在设计微波振荡器时，只需在它周围放置一个波导，它就会永远工作下去。但激光依然十分敏感和脆弱。”如果有人轻轻敲打叶军的一张实验台，激光就可能错位失准。而波导是封闭和固定的，因此敏感性要低得多。叶军实验室由一组研究生和博士后研究人员组成，他们致力于确保激光的不稳定性不会阻碍他们进行世界上最精确的测量。他们有幸能够去追求极致的精确度，而不必担心实际的可行性问题。


就在叶军及其团队在计时领域追求完美的同时，第一家将光学原子钟投放市场的Vector Atomic公司也在追求一个同样难以捕获的目标：商业影响力。“我们的竞争对手不是叶军。”Vector Atomic的阿博-谢尔说，“我们的竞争对手是市面上已有的时钟，也就是商用时钟。我们正试图把这些更现代的计时技术带到人们的日常生活里。”为了具备商业可行性，这些时钟不能受到附近人体温度的干扰，也不能在有人撞到设备时发生故障。因此，Vector Atomic不得不从头开始重新思考整个设备的结构，而系统中最脆弱的部分成为了公司的关注重点。阿博-谢尔说：“我们没有围绕原子来设计系统，而是围绕激光来设计系统。”首先，他们大幅减少了设计中使用的激光数量。这意味着不进行激光冷却——时钟必须与被限制在玻璃容器内的气态原子或分子一起工作；也没有周期晶格来把原子分成不同的团块，得到不同的读数。这两个选择都会降低精度，但对于制造坚固紧凑的设备来说是必要的。随后，为了选择合适的激光，阿博-谢尔和他的同事们问自己哪些激光最坚固耐用、价格便宜且设计精良。答案显而易见，那就是在电信和机械加工行业中广泛成熟使用的红外激光。然后，他们又问自己哪一种原子或分子存在能够被这种激光激发的跃迁。答案是碘分子，其电子在 532 纳米就可以实现跃迁，这一波长恰好是常见工业激光波长的一半。用普通的光学器件就可以实现这种波长。
阿博-谢尔说：“我们有这么多原子物理学博士，要把所有这些放进一个盒子里，需要我们投入更多的创造力，就像研究生为实现最终目标——撰写《自然》和《科学》杂志论文那样，甚至更加努力。”Vector Atomic公司的系统不能只使用一种激光就完事。拥有一个盒子，能输出非常精确的激光，且振荡频率达到数百太赫兹，这听起来很酷，但完全没用。没有任何电子设备能够对这些跳动计数。为了将光信号转换为友好的微波信号，同时保持原始信号的精确度，研究团队需要引入频率梳。频率梳是一种激光，能够以有规律的间隔准时发射光脉冲。如果你观察它们发出的光的频率（或颜色），就会看到它们呈现出梳子般的特性：频率（或颜色）像梳齿一样以规律间隔排列。这些获得2005年诺贝尔物理学奖的设备在光学和微波领域架起了桥梁，让激光能够“减速”到较低的频率范围，同时保持精确度。在过去十年里，频率梳也经历了变革，从实验室设备变成了手提箱大小的市售产品（甚至有一些原型只有市售产品1/4大小）。与其他任何事物一样，这种发展引发了一波创新浪潮，从而成就了当今的3款光学原子钟和这个新生市场。
发明往往突如其来，仿佛空气中弥漫着某种因素，使新发明的条件成熟。在Vector Atomic公司的Evergreen-30时钟问世的同时，Infleqtion和QuantX Labs也在短时间内研发出了自己的时钟。Infleqtion公司已经售出了7台Tiqker时钟（没错，量子技术公司似乎都有义务在每个名字里放一个“q”）。与此同时，QuantX Labs的联合创始人兼董事总经理安德烈•卢伊滕（Andre Luiten）表示，该公司已经售出了首批2台Tempo时钟，计划在2024年年底前交付给客户。（另外，总部位于科罗拉多州戈尔登的Vescent也在销售光学原子钟，不过它没有将产品整合到一个盒子里。）这3家公司都选择了惊人相似的设计。它们都意识到激光是限制因素，因此选择使用充满原子蒸汽的玻璃容器，而不是采用带有激光冷却和捕获功能的真空室。它们也都选择将电信激光的频率提高1倍。与Vector Atomic不同，inflqtion和QuantX Labs选择了铷原子。铷的能隙约为780纳米，这可以通过将1560纳米的红外激光频率加倍来解决。QuantX Labs的独特之处在于它使用了两种频率非常接近的激光，通过一种巧妙的双频方案进行探测，这种方式所需的功率更低。他们成功地将各自的时钟系统安装在一个大约30升的盒子里，盒子大小与一个手提箱大致相当。

这3家公司都竭力确保自己的时钟能够在现实环境中稳定运行。与实验室的光学时钟相比，尽管其精确度较低，但人的辐射已不再是问题。由于放弃了激光冷却，这些公司开始关注温度和运动影响原子内部跳动频率的可能性。卢伊滕说：“制造原子单元的方法必须非常明智，使其不会与环境发生耦合。”在2022年年中，为了验证其设计的稳健性，Vector Atomic和QuantX Labs的合作伙伴阿德莱德大学和澳大利亚国防科技集团将它们的时钟带到了海上进行测试。它们将自己的时钟带到了夏威夷的珍珠港，参加“环太平洋”演习中的“替代定位、导航和授时挑战”。这是五眼联盟成员（澳大利亚、加拿大、新西兰、英国和美国）之间的一项国防合作。“它们和新西兰的海员们一起玩了触式橄榄球。这对原子物理学家来说是一次令人惊叹的体验。”阿博-谢尔表示。在海军舰艇上经过20天的运行后，Vector Atomic公司的光学时钟依然保持着与实验室条件下十分接近的性能。“当这一成果实现时，我认为每个人都应该欢呼雀跃，奔走相告。”美国国防部高级研究计划局（DARPA）的项目经理乔纳森•霍夫曼（Jonathan Hoffman）说道，该机构为Vector Atomic公司的这项工作提供了联合资助。“人们研究这些光学时钟已有几十年，这是光学时钟第一次在没有人为干预的情况下，在现实世界中独立运行。”阿德莱德大学的时钟在海上确实出现了一定程度的性能下降，但试验的一项关键成果是了解到性能下降的原因。卢伊滕说，这使得研究团队能够修改设计，避免产生噪声的主要原因。2024年5月，Inflqtion公司将其Tiqker时钟及其基于原子的导航系统一起送到飞机上进行测试。一架从英国国防部博斯科姆唐军事飞机测试基地起飞的短途航班搭载了英国科学大臣安德鲁•格里菲斯（Andrew Griffith）以及这项量子技术。据Infleqtion公司原子钟项目负责人朱迪思•奥尔森（Judith Olson）称，该公司仍在分析飞行数据，但至少可以确定，原子钟的性能超过了所有机载参照设备。这3家公司都在研发体积更小的时钟款式。奥尔森、卢伊滕和阿博-谢尔表示，他们都相信能够将目前手提箱大小的时钟（体积约为30升）缩小到5升，大约相当于老式的两片烤面包机的大小。“这些箱子目前大部分还是空的。”卢伊滕说。

Infleqtion公司还设计了一款更小的100毫升版，利用集成光子学技术实现了相当紧凑的封装。“到那时，你基本上可以将时钟放进口袋里。”奥尔森说，“过一会儿后，你的口袋可能会变得有点热，因为耗电量仍然很大。但即便如此，我们仍然认为这可能是极具颠覆性的技术。”这3家公司还计划在未来几年内将它们的设计通过卫星送入太空。QuantX将通过Kairos飞行任务在2025年将Tempo时钟的一个组件送入太空，并计划于2026年将时钟完整地送入太空。


那么，为什么有人需要光学原子钟这种惊人的精度呢？最可能的直接应用场景是那些GPS无法使用的场合。大多数人想到GPS时，脑海中会浮现出智能手机地图上的蓝点。而在这些蓝点背后，是一个由精密计时设备组成的复杂网络。它始于协调世界时（UTC），通过平均全球大约400个不同类型原子钟的时间，来确定标准时间。“众所周知，协调世界时比地球自转提供的天文意义上的时间要稳定约100万倍。” 美国国家标准与技术研究院负责维护和改进协调世界时时钟的监督物理学家杰弗瑞•谢尔曼（Jeffrey Sherman）说。协调世界时的时间每天被传输到GPS网络的卫星上两次。每颗卫星都携带着自己的星载时钟，通常是基于铷的微波原子钟。谢尔曼说，这些时钟独立运行的半天时间里，精确度可以达到大约1纳秒。然后，卫星为地球上的各种设施提供时间，包括数据中心、金融机构、电网和手机信号塔。卫星依靠精确的计时，才能在手机地图上定位那个蓝点。手机必须连接到3颗甚至更多的GPS卫星，并从这3颗卫星处接收精确的时间。由于从卫星到手机的传播距离不同，这些时间也会有所不同。手机利用这个时间差，并结合已知的卫星位置，通过三角定位来确定自己的位置。因此，卫星上的计时精度直接关系到手机的定位精度，目前在非军用服务中的定位精度大约为2米。


光学原子钟可以在全球计时系统的多个阶段中发挥重要作用。首先，如果它们能够证明自己可以保持长期的可靠性，就可以与其他时钟一起用于定义世界协调时标准，并最终取代其他时钟。目前，构成该标准的大部分时钟是氢微波激射器。氢微波激射器的精确度与新型便携式光学时钟相似，但它们完全无法实现便携化：其体积与冰箱差不多，并需要一个房间大小的环境来控制温度和振动。“我认为大家都会同意，氢微波激射器可能已走到了技术演化的尽头。”谢尔曼说，“这项技术已经没有了大幅改进，第一代光学时钟自问世的第一天起，表现就很不错。我们希望通过鼓励开发实现技术取代，并在不远的将来实现大幅改进。”其次，在无法使用GPS的情况下，光学时钟可以派上用场。尽管许多人觉得GPS极其可靠，但在战争或冲突期间，GPS受到干扰或欺骗的情况十分常见。（要查看因干扰而无法使用GPS的每日地图，请访问gpsjam.org。）这对于美国国防部而言是一个大问题。无法获取GPS时间会危及军事通信。“对于国防部来说，将这项技术应用于许多不同的平台，对我们是非常重要的。”美国国防部高级研究计划局的霍夫曼说，“我们希望将其安装在军舰、飞机、卫星和航天器上。”这也在金融市场、数据中心和5G通信领域可能也是一个大问题。所有这些应用场景都需要精确到大约1微秒的时间才能正常运行，满足监管要求。这意味着这些应用的计时源必须至少要高一个数量级，即大约具有100纳秒的精度。GPS虽然在这方面有余量，但如果这些行业仅依赖GPS，那么一旦GPS受到干扰或欺骗，它们将面临巨大风险。本地微波原子钟可以作为备用方案，但即使在温控环境下，这些时钟每天也会出现几纳秒误差。而光学原子钟可以为这些行业提供安全保障，即使它们长时间无法使用GPS，其运行也不会受到阻碍。“性能上有这样的余量，意味着我们可以信赖时钟运行数小时、数天甚至数月。”Infleqtion公司的奥尔森说道，“性能较低的时钟则没有余量。”最后，便携式光学原子钟在未来整个时间体系的精度可能从纳秒级提升至皮秒级。这意味着可以将这些时钟送入太空，构建出精度更高的GPS系统。此外，定位精度也可以提高到几毫米，而不是现在的2米。“我们称之为GPS 2.0。”Vector Atomic公司的阿博-谢尔说。他认为，毫米级的定位精度能让自动驾驶汽车保持在车道内行驶，或让送货无人机能够在纽约市的阳台上降落。也许最令人兴奋的是，这项发明有望为众多领域的许多发明开辟可能性。选择更精确的计时将能够带来一些尚未设想的新应用。“许多应用都是围绕当前GPS的局限性构建的。换句话说，这是一种困境，”美国国家标准与技术研究院的时间频率计量组负责人大卫•豪尔（David Howe）表示，“你会陷入这种模式中，因为你所设计的应用都基于现有技术，所以你从未尝试过更好的东西。因此，我们需要带着更广阔的视野说：‘让我们看看能用光学时钟来做什么。’”