微型晶片：讓GPS精準度提升千倍的關鍵

光學原子鐘有望大幅提升時間測量與GPS的精準度，甚至能讓現有技術的準確度提高1000倍，進一步增強手機、電腦與導航系統的效能。然而，由於其龐大的體積與複雜的結構，光學原子鐘至今仍難以在實驗室外廣泛應用。如今，美國普渡大學與瑞典查爾姆斯理工大學的科學家們開發出一項突破性技術，利用晶片上的微梳（microcombs），大幅縮小了光學原子鐘的系統體積，使其更實用且易於普及。這項創新將為導航、自駕車與地理空間監測帶來重大進展。

目前，全球超過400座原子鐘為我們的手機、電腦與GPS系統提供了高度精準的時間與定位服務。無論是機械式、原子式或數位時鐘，其運作都依賴兩個關鍵元件：振盪器與計數器。振盪器產生規律的重複訊號，而計數器則測量其週期。在原子鐘中，這些週期來自原子在兩個能階之間以極精確的頻率振盪。

大多數原子鐘利用微波頻率來誘發這些原子振盪，但近年來的研究開始探索以雷射光學方式產生振盪。就像一把精細刻度的尺能提供更精確的測量，光學原子鐘能將一秒劃分為更小的單位，從而將時間測量的精準度提升數千倍。

普渡大學的教授兼研究共同作者Minghao Qi指出，現有的原子鐘讓GPS系統的定位精準度達到數公尺，而光學原子鐘則能將精準度提升至僅數公分。這不僅能提升車輛的自動化能力，也能改善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，例如用於監測火山活動。

然而，現有的光學原子鐘體積龐大，且需要配備特定雷射與光學元件的複雜實驗室環境，因此難以應用於衛星、偏遠研究站或無人機等場域。普渡大學與查爾姆斯理工大學的研究團隊開發的新技術，成功讓光學原子鐘大幅縮小，使其更易於普及。

這項新技術的核心是一種稱為微梳的晶片裝置。微梳能產生一系列均勻分佈的光頻，其中一個頻率可與雷射頻率鎖定，而雷射頻率又與原子鐘振盪鎖定。儘管光學原子鐘提供更高的精準度，但其振盪頻率高達數百THz，遠超過電子電路能直接計數的範圍。研究團隊的微梳晶片成功解決了這個問題，同時大幅縮小了原子鐘系統的體積。

查爾姆斯理工大學的光子學教授兼研究共同作者Victor Torres Company表示，微梳晶片能作為原子鐘光學訊號與無線電頻率之間的橋樑，讓原子鐘系統在維持極高精準度的同時大幅縮小體積。

另一大挑戰是同時實現系統穩定性所需的自我參考，並將微梳的頻率與原子鐘訊號精確對齊。研究團隊發現，單一微梳並不足以達成目標，因此他們配對了兩組微梳，其頻率間隔相近但略有偏移（例如20 GHz），並利用這20 GHz的偏移頻率作為可電子偵測的時鐘訊號。普渡大學的研究主要作者Kaiyi Wu解釋，這種方式能將原子鐘的精確時間訊號轉換為更易於處理的無線電頻率。

新系統還整合了光子學技術，使用晶片元件取代龐大的雷射光學裝置。Kaiyi Wu博士指出，光子整合技術能將光學原子鐘的光學元件（如頻率梳、原子源與雷射）整合到微米至毫米尺寸的光子晶片上，大幅縮小系統的體積與重量。

這項創新為光學原子鐘的批次生產鋪平了道路，使其更經濟實惠且易於應用於社會與科學領域。除了微梳外，光學頻率週期的計數系統還需要許多其他元件，例如調製器、偵測器與光學放大器。這項研究解決了一個重要問題並展示了新的架構，但下一步是將所有必要元件整合到單一晶片上。

Victor Torres Company表示，希望未來材料與製造技術的進步能進一步簡化這項技術，讓我們更接近一個超精準時間測量成為手機與電腦標準功能的時代。

這項研究已發表於《自然光子學》期刊。