摘要：中国科学院国家授时中心的研究团队近日在《物理评论应用》期刊发表论文，提出一种基于量子干涉增强吸收光谱的紧凑型光学时钟。这种新型时钟利用铷原子D1线的多普勒自由光谱特性，在仅需100微瓦激光功率和40℃工作温度的条件下，实现了1秒积分时间1.8×10⁻¹²的频率

中国科学院国家授时中心的研究团队近日在《物理评论应用》期刊发表论文，提出一种基于量子干涉增强吸收光谱的紧凑型光学时钟。这种新型时钟利用铷原子D1线的多普勒自由光谱特性，在仅需100微瓦激光功率和40℃工作温度的条件下，实现了1秒积分时间1.8×10⁻¹²的频率稳定度，比自由运转状态提升两个数量级。

图释：在所提出的方法中，理论计算（左）和实验观察（右）光谱信号。信用：Peter Yun

技术突破的核心

图释：通过增强对亚多普勒共振的吸收、实验装置（左）和测量的激光频率稳定性（右）实现紧凑型光学钟。信用：Peter Yun

研究团队在铷原子气室中采用单色激光的逆向传播泵浦-探测光束结构，通过偏振调谐诱导两个暗态间的量子干涉。这种干涉效应使吸收光谱线宽压缩至亚多普勒尺度，信号幅度与线宽比值显著提升。理论模型揭示，塞曼暗态在光谱增强中起关键作用——泵浦光束和探测光束分别制备的暗态发生相长或相消干涉，形成可用于高精度频率锁定的特征峰。

对比传统芯片级相干布居囚禁（CPT）原子钟3E-10@1s的稳定度，新方案直接跃进三个数量级。更值得注意的是，其工作温度从常规光学钟的100℃降至40℃，激光功率从10毫瓦级降至百微瓦级，下一步将更加微型化。

该成果延续了中国在精密计时领域的系列突破：2022年潘建伟团队实现百公里自由空间时频传递，万秒稳定度达4E-19，验证了星地光钟比对可行性；2024年初中国科大研制的锶原子光钟不确定度达4.4E-18，相当于72亿年误差1秒，已部分满足秒定义更新需求。而本次研究则在微型化方向开辟新路径——传统光晶格钟虽达E-19量级精度，但体积庞大；CPT原子钟虽微型但精度受限，新方案恰好填补了两者间的技术鸿沟。

这种巴掌大小的光学频率基准，或将重塑多个技术领域：

1. 微型自主定位系统：为无人机集群、地下潜航器等提供厘米级定位所需的稳定时基

2. 深空导航：相比当前星载原子钟，更小体积、更低功耗适合微纳卫星组网

3. 基础物理探测：结合中国科大发展的中红外纠缠光子技术，可构建分布式量子传感网络，用于引力波探测或暗物质搜寻

4. 通信同步：在6G太赫兹通信中，超高精度时钟能有效对抗相位噪声

研究团队与法国FEMTO-ST研究所的合作，延续了中法在CPT原子钟领域的技术交流传统。早在2021年，云恩学研究员就曾在该所工作期间提出极化调制CPT方案，回国后进一步优化实现3.6E-13@1s的芯片钟性能，此次突破可视为该技术路线的光学版本升级。

这项研究揭示了一个重要趋势：量子精密测量技术正从实验室走向工程化。就像中国科大近期在中红外纠缠光源和多光子干涉芯片上的突破，光学时钟的小型化标志着量子技术开始挣脱环境束缚，向实用化迈出坚实步伐。当这些技术模块最终拼接成网，或将催生新一代时空基准体系——比GPS更精准，比北斗更紧凑。

参考文献：

Peter Yun et al, Enhanced absorption in Doppler-free spectroscopy of the Rb atom D1 line with monochromatic light: Application to laser-frequency stabilization, Physical Review Applied (2025). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.034063

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来源：科学剃刀