海洋环境下移动光学原子钟阵列的现场演示：突破便携式高精度计时技术瓶颈

研究团队针对全球导航卫星系统(GNSS)依赖性强、现有微波原子钟稳定性不足的问题，开展了三种基于不同原理(镱蒸气池、铷双光子、光学铷原子频率标准)的光学原子钟海上联合试验。通过21天无人值守航行验证，系统在光学/微波/射频域均实现优于10-14的稳定度，尺寸-重量-功率(SWaP)指标较实验室光学钟降低2个数量级，为舰载自主定位导航授时(PNT)系统提供了突破性解决方案。

　　

在当今高度依赖精准计时技术的数字时代，原子钟作为时间基准的核心设备，支撑着从金融交易到卫星导航的众多关键系统。然而现有主流微波原子钟正面临双重挑战：一方面其性能已接近理论极限，难以满足5G通信、量子计算等新兴技术对超高精度同步的需求；另一方面全球导航卫星系统(GNSS)提供的授时服务存在被干扰风险，且微波钟的稳定性在复杂环境中急剧下降。虽然实验室级光学原子钟凭借光学频段更高的品质因数(Q值)实现了10^-18量级的惊人稳定度，但庞大的体积和苛刻的环境要求将其长期禁锢在实验室环境。

这项由澳大利亚阿德莱德大学、美国空军研究实验室等多国机构合作的研究，首次将三种不同类型的光学原子钟集成到标准海运集装箱中，在新西兰海军舰艇HMNZS Aotearoa上完成了为期21天的海上实测。研究团队创新性地采用蒸气池方案替代传统的激光冷却原子体系，通过调制转移光谱(MTS)和双光子跃迁等关键技术，在保持10^-14量级稳定度的同时，将系统体积压缩至67-81升，功率控制在210-340W，实现了光学原子钟从实验室到实战环境的跨越。

关键技术方法包括：1)基于174Yb原子1S₀→3P₁跃迁的调制转移光谱钟，采用1112nm光纤激光倍频产生556nm探测光；2)87Rb原子5S_1/2→5D_5/2双光子跃迁钟，使用1552nm/1560nm双色激光激发；3)光学铷原子频率标准(ORAFS)采用单激光778nm激发方案。所有系统均集成自参考光学频率梳，可将光学稳定度传递至100MHz/1GHz电信号输出。通过三边帽法(three-cornered hat)分析技术，在舰载振动(±5m/s²)、温度波动(10K/小时)等恶劣条件下仍能准确评估各时钟性能。

研究结果：

便携式光学钟及试验路线

三种时钟系统均采用19英寸标准机架封装，其中镱钟表现最为稳定，在1000秒平均时间内频率偏差小于6×10^-12。试验路线覆盖150公里海域，验证了系统在舰艇高速机动、盐雾腐蚀等极端条件下的可靠性。

时钟比较方案

创新性地采用多通道零死区相位频率计数器，通过测量100MHz、1GHz输出及光学拍频信号，有效消除了商用铯钟(5071A)的噪声影响。加速度传感器记录显示，参考铯钟在8Hz舰体振动时会产生明显频率调制，而光学比对系统对此完全免疫。

岸基与海上稳定性对比

修正阿伦方差(ModADEV)分析表明，在100秒以内短稳方面，海上环境与岸基测试结果基本一致(约3×10^-13/√τ)。但超过100秒的长稳受环境影响明显，镱钟仍保持10^-14量级，较商用铯钟提升1个数量级。

SWaP性能比较

在尺寸-重量-功率(SWaP)综合指标上，镱钟(67L/40kg/210W)和铷钟(81L/45kg/340W)较传统光学晶格钟降低2个数量级，与微型芯片原子钟(CSAC)接近，但稳定度提高3个数量级。

这项研究标志着光学原子钟技术正式迈入实用化阶段。通过蒸气池架构与集成光频梳的创新结合，研究团队成功解决了光学钟便携化的核心难题。特别值得注意的是，系统在完全无人干预的情况下实现了30分钟快速启动和故障自恢复，这为未来在潜艇、极地等特殊环境部署奠定了基础。该技术不仅可增强GNSS拒止环境下的舰艇自主导航能力，在分布式量子通信、 relativistic geodesy(相对论大地测量)等领域同样具有重要应用前景。随着进一步的小型化优化，这种高鲁棒性光学时钟有望在未来五年内实现商业化，重塑精准计时技术的产业格局。