智慧型手機也能擁有軍用級精準定位？微型原子鐘晶片即將改變未來科技

科學家們正逐步實現一項突破性技術，將原本僅限於太空機構和研究實驗室使用的軍用級定位系統，縮小至可安裝於智慧型手機、無人機和自駕車等日常裝置中。這項革命性的「微型原子鐘晶片」技術，有望為下一代GPS系統帶來前所未有的精準度。

這款僅5毫米（0.2英吋）寬的「微型梳狀晶片」，配有如梳齒般的微小結構，能夠將光學原子鐘——地球上最精確的計時裝置——縮小至適合實際應用的尺寸。研究團隊在2月19日發表於《自然光子學》期刊的論文中指出，這項技術可能使GPS系統的精準度提升至現有最佳系統的千倍以上，大幅改善智慧型手機、無人機導航，甚至地震監測和地質調查等領域的應用。

「現有的原子鐘讓GPS系統能夠達到幾公尺的定位精準度。而光學原子鐘則可能將精準度提升至僅幾公分，」普渡大學電機與電腦工程系教授、研究共同作者Minghao Qi在宣告中表示。「這將提升車輛的自動駕駛能力，以及所有依賴定位的電子系統。此外，光學原子鐘還能偵測地球表面緯度的微小變化，可用於監測火山活動等現象。」

目前全球約有400座高精準度原子鐘，它們利用量子力學原理來計時。傳統原子鐘使用微波來激發原子在不同能階間轉換，這些轉換（稱為振盪）以極高的頻率自然發生，就像一個超精確的時鐘，計時精準度可達十億分之一秒。這也是為什麼原子鐘成為協調世界時（UTC）和GPS衛星的基礎，後者依賴原子計時來為汽車、智慧型手機等裝置提供定位資料。

然而，傳統原子鐘的精準度遠不及光學原子鐘。標準原子鐘使用微波頻率來激發原子，而光學原子鐘則使用雷射光，使其能夠以更精細的尺度測量原子振動，精準度提升數千倍。但由於其極度複雜性，光學原子鐘至今仍僅限於NASA戈達德太空飛行中心、美國國家標準技術研究院（NIST）等極少數科學研究環境中使用。

微型梳狀晶片的出現，有望改變這一局面。它能夠在高頻光學訊號（光學原子鐘使用）與現代電子裝置依賴的無線電頻率之間建立橋樑。研究人員在宣告中解釋：「就像梳子的齒一樣，微型梳狀晶片由一系列均勻分佈的光頻組成。光學原子鐘可以透過將微型梳狀晶片的齒與超窄線寬雷射鎖定來建立，而雷射則與具有極高頻率穩定性的原子轉換鎖定。」

他們將新系統比作一組齒輪，其中一個快速旋轉的小齒輪（光學頻率）驅動一個較大、轉速較慢的齒輪（無線電頻率）。就像齒輪在傳遞動力的同時降低速度一樣，微型梳狀晶片作為一個轉換器，將原子的超快振盪轉換為電子裝置能夠處理的穩定時間訊號。

「此外，微型梳狀晶片的微小尺寸使得原子鐘系統能夠大幅縮小，同時保持其非凡的精準度，」查爾摩斯理工學院光子學教授、研究共同作者Victor Torres Company在宣告中表示。「我們希望未來材料和製造技術的進步能夠進一步簡化這項技術，讓我們更接近一個超精準計時成為智慧型手機和電腦標準配備的世界。」