美国Vector Atomic公司的研究团队报道了完全集成的碘分子光钟的开发和海上测试。这些钟无需激光冷却或预稳定腔，结合了小体积（35升）、高性能（精度比目前舰船使用的类似大小的原子钟高1000倍）和对平台运动不敏感的特点，适合在移动平台上操作。该研究解决了原子钟系统级的动态、寿命、自主性和成本问题，有望用于分布式相干传感和远程量子网络时间同步。该成果于4月24日发表在《自然》杂志上。
© Nature研究论文以《海上的光学钟 (Optical clocks at sea)》为题发表于《自然》杂志。
精确计时对安全高效的海上航行至关重要。许多船只配备的商用原子钟用微波频率驱动原子。在一种被称为光频梳的设备问世后，人们能够将原子的光频振荡转换为电子设备使用的微波频率，光学原子钟的稳定性大大超过了最好的微波原子钟。但由于光学原子钟的较大尺寸（通常有餐桌那么大）和对周围环境（平台移动、温度、压力及磁场等的波动）敏感，迄今只有在实验室条件下才能正常工作。研究团队开发了三个紧凑的碘光钟原型机，整合了分子碘频谱仪、光频梳和控制电子设备，体积仅为35升。研究团队展示了他们的光钟原型机在实验室环境和恶劣的海洋船舶环境中都能保持其性能。
在海上测试之前，研究团队在美国国家标准与技术研究院（NIST）对光钟的性能进行了基准测试。在34天的时间里，研究团队监测了原型光钟的频率输出。结果显示，在较短的测量间隔（小于1000秒）内，他们的光钟比氢钟（hydrogen maser）更稳定，而氢钟是一些最稳定的商业原子钟的基础。在较长的时间尺度上，研究团队的时钟在频率漂移方面的表现略优于NIST的其他原子钟。这意味着，经过长时间的工作后，尺寸相对较小的碘光钟预计积累的时间误差是与体积大得多的氢钟是相当的。
随后，研究团队把测试过的两个光钟，以及第三个更小的光钟带到夏威夷的一艘海军舰艇上连续测试了20天。尽管船在海浪上移动时经历了巨大的加速度和振动，但前两个光钟的性能与实验室中观察到的性能相当。第三个光钟的频率漂移与另两个尺寸较大的光钟相似，但没有达到相同的稳定水平。
值得注意的是，两个较大的光钟在24小时内保持了很好的时间稳定性（偏差小于400皮秒）。因此，即使航船失去了一整天的外部计时源，也可以使用这些光钟将每天的时间误差保持在25亿分之一秒以内。
© Nature 便携性与性能之间的权衡。商用原子钟工作在微波频段，其大小和性能各不相同，运行在更高光学频率的原子钟更稳定，但由于其大尺寸和对环境变化的敏感性通常仅限于实验室。研究团队开发了便携式的基于碘的光学原子钟，其尺寸和性能令人印象深刻。图中微波原子钟的时间误差是在没有环境变化的假设下估计的。
研究团队的时钟的鲁棒性部分来自于碘分子的使用。论文的通讯作者Martin Boyd表示，这种分子对温度波动、磁场和压力的敏感度比一些原子要低。虽然研究团队的光钟尚不如最好的实验室光学计时器，但其精度比目前船上使用的类似大小的原子钟高1000倍。
研究团队的这项工作代表了光学原子钟从实验室向现实世界过渡的关键一步，它们将可以支持海上、空中和天基系统。凭借其高性能和小尺寸，光学原子钟可以在许多平台上支持精确计时，减轻对外部定时源（如GPS）的依赖。
未来便携式光学原子钟甚至可以用于研究基础物理和计量学，包括广义相对论验证和大地测量学的支撑。如果研究小组能够进一步缩小时钟体积，未来搭载在全球导航卫星上，有望将定位分辨率从米提高到厘米。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07225-2
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