当前，许多通信、导航、金融交易、分布式云和国防应用都依赖于原子钟这一基于原子振荡以最高精度跟踪时间的装备来进行精确授时。现实中，利用原子能量来实现精确授时需要大量复杂而庞大的技术，这些技术开发成本高且需消耗大量能源。而5G网络和GPS替代品等新应用和技术将需要在便携式平台上进行精确计时，这直接推动了对具有高性能的小型化原子钟的需求。

在过去的几十年中，美国国防高级研究计划局（DARPA）在原子钟技术的进步和小型化方面投入了大量资金，生产出了芯片级原子钟（CSAC）。这些原子钟现已上市，并为其尺寸、重量和功率（SWaP）提供前所未有的授时稳定性 。然而，由于与其设计相关的物理特性，这些第一代CSAC的性能从根本上受到了限制：校准要求和频率漂移会产生授时误差，因此难以在便携式封装中实现最高的精度和可靠性。在此背景下，DARPA于2015年底推出的“高稳原子钟”（ACES）项目开始探索下一代电池供电的CSAC开发，与现有方案相比，其关键性能参数提高了1000倍。

“将原子钟从大铯束管缩小到芯片级器件，而不影响性能，需要重新考虑一些关键部件，包括真空泵和光学隔离器，以及新的部件集成方法，”DARPA微系统技术办公室（MTO）负责ACES项目的经理约翰·伯克（John Burke）博士表示：“我们为ACES项目概述的目标指标很高，但当我们进入该项目的第三阶段时，研究人员已经验证了工程的成功之处，包括减少SWaP、经实验室验证的原子钟技术以及未来时钟架构的早期原型。”

通过对替代物理结构和新型组件技术的探索，三组研究人员已经验证了在创建CSAC方面的早期进展，其温度控制、老化和回扫方面的改进提高了1000倍。

第一组研究团队

第一组研究团队是美国国家标准与技术研究院（NIST）领导的团队。最近在该领域专业期刊Optica（由光学学会出版的月度同行评审学术期刊，涵盖了理论和应用光学和光子学的整个范围）上发表的一篇论文重点介绍了其研究人员在加州理工学院、斯坦福大学和查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室的研究人员支持下取得的最新进展。该团队展示了一个实验性光学原子钟，它只由三个小芯片组成，并支持电子和光学。与在微波频率下工作并跟踪铯原子振动的标准原子钟不同，光学原子钟在更高频率下运行，因为它们将时间分成更小的单位，以此提供更高的精度。NIST团队研发的原子钟使用激光跟踪被限制在直径3毫米的蒸汽室（或微小的玻璃容器中，位于硅芯片顶部）的铷原子振荡。在时钟基于芯片的“心脏”中，两个频率梳像齿轮一样将铷原子的高频光学“滴答”转换为较低的微波频率，这是大多数定位、导航、授时（PNT）应用程序用来跟踪时间的频率。除了提供更高的准确度（大约比目前基于铯原子的CSAC好50倍），实验时钟使用的功率非常小——仅为275毫瓦。

除了成功展示芯片级光学时钟之外，NIST团队还能够对所有关键部件进行微加工，就像制造计算机芯片一样。这使得电子器件和光学器件能够进一步集成，同时为大规模生产和商业化创造了潜在的途径。

由NIST、加州理工学院、斯坦福大学和查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室开发的微制造光子光学原子钟示意图

第二组研究团队

第二组研究团队的霍尼韦尔公司与加州大学圣巴巴拉分校合作，正在开发精密原子传感器，以支持微型原子钟的开发。

带有波导和光栅的硅芯片，用于创建3D激光束图案。在照片中，光导通道从它们所指向的光中发光，从芯片中发出的不可见的三维光束由计算机渲染的叠加显示

迄今为止，捕获原子传感器的小型化一直被传统上构成必要光学系统的大量光学元件（如透镜和镜子）所阻碍。霍尼韦尔团队开发的精密原子传感器依赖于磁光阱（MOT），它需要来自不同方向的激光束的三维排列，精确地在一点处交叉。为了在不使用透镜或镜子的情况下实现这种精确配置，研究人员开发了一种集成光子芯片，用于引导“光学电路”周围的光，类似于传统计算机芯片中电信号的引导。 光子芯片以适当的三维排列发射三个大的准直光束以形成MOT。 通过将这些相交的激光束与一组专用的紧凑型磁场线圈相结合，霍尼韦尔利用这种光源捕获铷原子，并实现了先进的微型原子钟。

霍尼韦尔的集成光子芯片技术不仅减小了激光传输系统的尺寸、重量和功率，而且还允许批量制造复杂的光学系统，同时降低了制造成本。

第三组研究团队

第三组研究团队来自美国宇航局喷气推进实验室（JPL），他们得到了SRI国际公司、加州大学戴维斯分校、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究人员的支持，展示了一个实验性原子钟，能够满足ACES项目的目标指标，同时证明对温度和环境因素免疫。在创建深空原子钟（DSAC）的研究基础上，该团队开发了一种基于离子的原子冷却方法，该方法依赖于电离汞和紫外灯而不是激光。JPL原子钟显示，在1摄氏度的变化下，14位小数中的免疫性小于1位。从这个角度来看，性能要比当前的CSAC好100倍。汞离子的使用也提供了更高的稳定性，同时使该技术对磁场和温度变化的敏感性降低。

美国宇航局JPL研究人员针对ACES项目开发的10cc封装技术

正如NIST和霍尼韦尔研究所验证的那样，ACES项目的进展正在产生以晶圆规模制造原子钟技术的新方法，这使得持续的技术探索更具成本效益，并且更少依赖于大规模的工程努力。Burke最后指出：“当前，我们要处理的是复杂的光学系统，无论何时想要迭代设计，都需要进行大量的工程设计。ACES项目的早期进展表明，在没有大量工程人力或与当前方法相关的巨额成本的情况下，开发中也有可行的选择”。

ACES项目背景

GPS系统为大量军事和民用系统提供实时的定位、导航与授时（PNT）信息，当前无法摆脱对它的依赖。然而，GPS在某些情况下有其局限性，例如，GPS信号无法在地下或水下接收，并会在太阳风暴期间明显削弱甚至不可用。此外对手可以干扰GPS信号，在某些环境中如果作战人员将其作为唯一的PNT信息来源，这些局限性可能会使其成为致命弱点。为了解决这一问题，DARPA正在开展多个项目以探索创新技术和方法，从而在GPS功能降级或不可用时提供可靠、高精度PNT能力。

此外，GPS卫星导航系统一直存在着一个问题，即当出现遮挡或其它情况时，GPS导航设备的信息收发会受到干扰或发生阻塞。举个例子说，当我们的突击队员进入了一幢大楼，他们接收不到GPS信号，如果当他们出来时遭到敌人攻击，立即请求炮兵的火力支援，那炮兵指挥官就只能翻地图计算突击队员的位置了。

但是如果作战人员GPS接收机安装了DARPA的微型原子钟，由于原子钟的极高精度，就算进入大楼后失去GPS信号长达数小时，GPS接收机仍然可以和GPS信号保持时钟同步。这种精确的授时能力使得当突击队员走出大楼时，GPS接收机几乎能够瞬间再次接收到GPS信号。

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