北京大学研制成铷原子钟——三千年误差不到一秒

北京大学研制成铷原子钟——三千年误差不到一秒

最近，中国航天科工集团二院203所主导研发了一款拥有自主知识产权的超薄铷原子钟，目前已完成研制并实现量产。消息传出，不少小伙伴产生好奇：原子钟是什么钟？

日常生活中使用的钟表，哪怕走得再准，一年下来也会有几十秒的误差。同样是计时，原子钟的精度则不可同日而语。目前用于原子钟的元素包括氢、铯、铷等，精度最高的原子钟，大约每3000万年的误差仅1秒。也就是说，哪怕从恐龙灭绝时走到现在，它的误差也不过两三秒。其中，铷钟是应用最为广泛的原子钟，其体积小、成本低、可靠性和环境适应性好，可大量应用于武器装备、电信、电力等行业。

此次203所研制的超薄铷钟，专为板卡用途设计。科技日报记者从该所了解到，目前许多设备在设计时，都采用标准化的插卡方式，这种模块化设计便于功能扩展及硬件更换维修，已应用于各行各业。

既然叫“板”卡，可想而知它不会太厚。按照行业标准，目前的板卡厚度大多为2厘米。2015年203所曾研发一款高抗振小型铷钟，大小相当于一个手掌，但厚度接近4厘米。而超薄铷钟长、宽仅7.6厘米，厚度更是压缩到1.7厘米，完全符合板卡使用要求。

但要做到超薄，还要符合性能要求并非易事。超薄铷钟内部有个量子系统，是一个物理部件，它的大小和性能指标存在一定的冲突关系。要在减小体积的同时避免性能损失，需要攻克一系列关键技术。

同时，铷钟内部部件工作温度从80多摄氏度到120多摄氏度，将这些高温部件集成在那么小的空间，相互之间难免造成影响，从而影响产品的指标和可靠性，这对热设计等技术也带来很高要求。

成功克服多项难题后研制的超薄铷钟产品，技术指标达到了国际顶尖水平。例如其内置1PPS驯服功能，可以接收任意导航卫星的信号，达到频率校准的目的。也就是说，只要天上的导航卫星信号能被产品接收机接收，它就能达到导航卫星的时间精度，即20纳秒左右量级。

即使失去导航卫星信号，超薄铷钟也会自动进入保持状态。保持时间精度取决于频率稳定性和漂移率，而该产品可以在数天内保持微秒量级守时精度。能稳定地保持时间，正是原子钟存在的意义。

原子钟的应用，如今已渗透到各个领域。

电影里，特警们开展行动前，总会表情严肃地凑到一起，伸出手腕对表，以便统一行动。但在战争中，各个作战系统怎样“对表”？就得靠原子钟了。随着现代战争的发展，精准的时间系统成为网络作战的关键，一旦时间被打乱，整个指挥系统、武器系统将面临瘫痪。

生活中同样离不开原子钟。例如在通讯领域，通讯基站对时间同步有很大需求，在即将来临的5G时代，这一要求将更加严格。在金融领域，原子钟是保证金融网络时间一致性的核心设备之一，如果股票操作产生时间差，可能有人借机进行违规交易。此外在电力、交通等行业，原子钟的作用也日益凸显。

目前这款超薄铷钟，基本已将铷钟产品的尺寸做到了极致。据该项目负责人透露，203所正在研发具有全新机制的芯片原子钟，其尺寸更小、功耗更低。现在该所已制成工程样机，计划于2019年进行量产。