據媒體報道，繼2023年我國首條萬台芯片原子鐘產線在天津市濱海高新區正式投產后，日前，該團隊又再次成功研制出高精度、低功耗、實用化、可量產的芯片級原子鐘。

說起來，我們已經習慣了這樣的生活：手機、電腦自動校准時間，幾乎感覺不到有誤差﹔導航 APP 實時定位，在城市裡行走幾乎不會迷路﹔高鐵、飛機准點運行﹔轉賬交易快捷安全…… 這樣方便又可靠的生活，都建立在一個共同的基礎上：全世界統一、極致精准的時間。而原子鐘就給我們幫了不小的忙。

“最精准的計時工具”，原子鐘有何絕招？

原子鐘以原子內部固有的量子能級躍遷頻率作為計時基准，這是微觀粒子與生俱來的、極端穩定的物理本性，不受溫度、壓力等宏觀環境干擾。當前實用化、規模化部署的原子鐘，主要以微波原子鐘為主，它們是全球時間系統的基石，也是支撐現代生活最核心的計時裝置。

微波原子鐘主要分為三大類：銫原子鐘、氫原子鐘和銣原子鐘。在全球統一的精准時間體系裡，三種原子鐘各有分工：

1、銫原子鐘：時間標准的 “定盤星”，負責定義國際通用的秒長﹔

2、氫原子鐘：穩定運行的 “守護者”，保証時間信號連續不中斷﹔

3、銣原子鐘：普及應用的 “主力軍”，讓高精度計時走進更多設備。

上述三類原子鐘共同支撐起導航、通信、金融、電力等現代社會每一秒的精准運行。但問題隨之而來——這些傳統原子鐘體大笨重，難以靈活應用。

以銫原子鐘為例，它要實現極高精度的計時，必須依靠微波與原子發生穩定作用。為此，傳統銫原子鐘需要使用體積龐大的金屬諧振腔來約束微波，整套裝置結構復雜、尺寸較大，通常需要專門的機櫃才能放置和運行。這樣的體積和功耗，在實驗室、通信基站等固定場所尚可正常使用，但是對於衛星、無人機、深海探測設備等對重量、電量要求極高的移動場景，就顯得過於笨重和耗電。

不過，隨著科技的飛速進步，原子鐘會越來越小，小到指甲蓋的大小，小到可以裝進手機。

芯片級原子鐘有啥“芯”優勢？

傳統原子鐘做不到的，芯片級原子鐘實現了突破。芯片級原子鐘並不是簡單地縮小，而是採用了完全不同的技術路線——“光學催眠”。它用兩束特定頻率的激光交叉照射原子，把原子“騙”進一種暗態。在這種狀態下，原子對激光“視而不見”，保持穩定的量子狀態。

這套技術叫作相干布居數囚禁（CPT），簡單說就是用光做的“籠子”代替了金屬做的“籠子”。激光在微米級的芯片玻璃腔裡精准操控原子，不再需要半米長的金屬諧振腔。原來要佔滿整個機櫃的精密操控，現在在小小的芯片上就能完成。

那麼，芯片原子鐘有何強大的新優勢呢？

1、極致小巧

最小型號體積僅 2.3 立方厘米，是目前全球體積最小的芯片原子鐘，指標聚焦於微型化與極限精度，已經應用於中國星網低軌衛星、中國海油海底資源勘探等場景驗証﹔量產常規型號約 8 立方厘米，是國內最小量產型產品，強調工程化、可靠性與批產能力，核心面向深海勘探、航空航天等規模化需求。

2、超低功耗

最低功耗可低至100~200毫瓦（量產產品約120-150毫瓦），可以依靠電池在深海、太空等極端環境下長期自主運行。

3、超高穩定度

秒級頻率穩定度達到 10⁻¹¹~10⁻¹²（阿倫偏差），意味著 運行數千年誤差不足 1秒，高端型號可穩定至3萬年內誤差不超過1秒。穩定度遠遠優於石英晶體振蕩器，在衛星信號中斷時，它仍然可以獨立守時，成為無人系統的 “時間心臟”。

總結起來三個字：小、省、穩。

小——才能突破體積限制、嵌入各類設備，實現無處不在﹔

省——才能擺脫外接電網束縛，依靠小型電池長期自主運行﹔

穩——才能實現獨立可靠守時。

未來，這種高精尖計時芯片還將逐步走進手機、無人駕駛汽車等民用場景，為數字世界構建精准時間基准，成為貫穿千行百業的 “便攜時間標尺”。

研發芯片級原子鐘，真“芯”不簡單？

全球產業格局來看，據目前公開資料顯示，全球隻有中國、美國實現了芯片級原子鐘的大規模量產。

2011年，美國率先實現芯片原子鐘量產，長期壟斷全球市場﹔

2023年，中國突破全鏈條技術壁壘，建成國內首條芯片級原子鐘量產線，正式實現規模化量產落地，成為全球第二個掌握這項核心技術的國家﹔

2026年，中國新一代更小體積、更低功耗的芯片級原子鐘實現批量交付，性能達國際領先水平。

之所以大規模產業化進程相對緩慢，主要卡在三點：

1、成本高企：依賴手工裝配，年產量僅數百台，無法形成規模效應﹔

2、良率不穩：超高真空封裝、微米級自動化裝配工藝難以穩定，批量生產成本不可控﹔

3、產業鏈不完整：核心器件對外依賴，無法形成自主閉環。

中國能夠成功突圍，不僅在於突破了相干布居數囚禁（CPT）等核心物理機制，更在於啃下了材料學、微納制造、精密機械、自動化控制等工業基礎的硬骨頭，建立起從核心激光器、微型原子氣室到芯片封裝、整機集成的完整自主產業鏈。

原子鐘，大有可為的“芯”天地

芯片原子鐘 “小、省、穩” 的特性，打開了大量傳統設備難以觸及的應用場景：

1、深海能源勘探

在無衛星信號、高壓黑暗的深海，傳統原子鐘無法部署，石英鐘精度不足。芯片原子鐘小巧低耗，可作為海底自主同步的核心頻率源，支撐國家能源勘探與安全。

2、北斗導航與自動駕駛

1納秒時間誤差對應約0.3米定位偏差。在隧道、城市峽谷等信號盲區，芯片原子鐘仍然能獨立保持高精度時間，實現分米級連續定位，為自動駕駛提供關鍵安全保障﹔同時也可以廣泛應用於水下導航、無人機群等無衛星信號場景。

3、通信與電力網絡

5G/6G 基站、智能電網要求全網時間高度同步，芯片原子鐘可直接嵌入設備，筑牢數字世界的 “時間底座”，避免斷網、調度失穩風險。

4、商業航天與小衛星

低軌衛星對重量、功耗極度敏感，芯片原子鐘輕量化、低功耗優勢顯著，可以延長衛星壽命、降低成本，夯實衛星導航的時間基准。

5、國家安全領域

在沒有衛星信號或遭遇強干擾的環境下，芯片原子鐘仍能精准維持自身時間，並為內部設備提供統一時間基准，實現完全自主、不受外界干擾。

現代社會早已進入毫秒必爭、微秒較真的時代，而中國自主研制的芯片原子鐘，正是我們在這個分秒必爭的時代裡牢牢掌握時間主動權的實力體現。科技的進步為我們提供了掌控時間的工具，也讓我們在這個由原子鐘定義的精准世界中，學會更從容地把握節奏、掌控自我。

作者：小青 科普創作者

審核：劉婭 中國科學院國家授時中心 研究員

策劃：閻冬