從原子鐘到芯片原子鐘

對時間計量的精準度，一直都代表著每個時代科技的最高水平，從日晷和沙漏到機械鐘、石英鐘，這些都是時間計量的代表。原子鐘則是現在我們所處時代對時間計量最精準的設備。基于原子物理學的原子鐘可以做到幾千萬年甚至上十億年僅誤差1s的超高精準度。從原理來說，原子是按照繞在原子核周圍不同電子層的能量差來吸收或釋放電磁能量的。當原子從一個高“能量態”躍遷至低“能量態”時，它便會釋放電磁波。

這種電磁波特征頻率是不連續的，這也就是人們所說的共振頻率，而同一種原子的共振頻率是一定的。這種準確的節拍就是保持精準計量的核心特性。原子鐘利用振動場的頻率作為節拍器來產生時間脈沖，目前，振動場頻率與原子共振頻率已達到完全同步的水平。目前原子鐘采用的原子有銫、氫、銣幾種，應用最廣的以銫原子鐘為主，在天文、地理、國防、航空航天等高端應用領域占據重要地位。芯片級原子鐘是傳統原子鐘的延伸，芯片級原子鐘也稱CPT原子鐘，其最大的特點就是尺寸小、功耗低，計時精度能達到銣原子鐘水平。

傳統的原子鐘首先制造難度極高，高成本也限制了可應用的范圍。本身來說傳統原子鐘體積大、功耗高的特點也并不適合絕大多數應用。芯片原子鐘很好地解決了這個矛盾，把原子鐘技術集成到芯片上，能夠契合現在的很多應用。具體來說就是把原子振蕩器集成到芯片上，這種振蕩器比傳統的石英晶振精度領先幾個數量級，目前已經面世的芯片原子鐘精度通常在數納秒到毫秒之間。現在的通訊應用、數據中心應用、導航定位應用，都需要高精度的時間同步作為前提，芯片原子鐘在實現時間同步和頻率同步上的絕對優勢將成為重要的助力。現在最大的限制仍在于產量和成本。

國產芯片原子鐘加速發展

芯片原子鐘一直都是世界各國高度重視的行業，此前這一領域僅有美國的Symmetricom實現了芯片原子鐘的規模化生產，在這一領域處于壟斷地位。國內從事芯片原子鐘研發的主要集中在高校和科研院所，成都天奧電子和天津華信泰近年來也在芯片原子鐘上進展頻頻。

天奧電子一直在原子鐘領域耕耘，2020年左右開始攻克芯片原子鐘，根據目前流出的消息，目前天奧電子某型CPT原子鐘已處于小批量試制階段，某型CPT原子鐘正在進行生產工藝方面的攻關工作，將在航空航天、衛星導航、通信、計量等領域率先開始應用。今年下半年，華信泰國內首條萬臺芯片原子鐘生產線近日在天津高新區落成投產，產能達到年3萬臺。

華信泰自2010年起，潛心攻關，通過自主研發，突破了芯片原子鐘的關鍵技術，所生產的芯片原子鐘產品全部具有自主知識產權。這條生產線投產意味著國內芯片原子鐘領域可自主實現規模化量產，不再被卡脖子。對于芯片原子鐘成本的下探、大規模應用提供了基礎，將進一步推動國內通信、導航、時頻領域發展。

芯片級原子鐘無可比擬的高精度時間計量特性會為需要高精度的時間同步的應用發展提供不可或缺的助力，當前雖然受限于產能和成本，但未來充滿了巨大的潛力。