伯明翰大学研发新一代量子时钟或可用于自动驾驶导航应用

汽车盖世汽车网 2022-07-27 15:08

盖世汽车讯得益于伯明翰大学（the University of Birmingham）领导的英国量子技术中心传感器与计时中心研发的新技术，使得量子时钟的尺寸得以缩小。据外媒报道，在英国国防科学技术实验室（Dstl）的部分资助下，有一组量子物理学家与该实验室合作研发了一种新方法，不仅可以减小量子时钟的大小，还能够让该时钟足够坚固，可被携带出实验室，并在“现实世界”中得到使用。

量子时钟（图片来源：伯明翰大学）

人们普遍认为，在全球在线通信、导航系统以及全球股票交易等领域，量子时钟（原子钟）对于越来越精确的应用至关重要，因为在此类领域，几分之一秒的时间就会产生巨大的经济差异。而带有光子频率的原子钟比带有微波频率的原子钟精确一万倍，也为重新确定标准（SI）测量单位提供了可能。

未来某一天，更先进的光学时钟可能会对日常生活和基础科学产生重大影响。与其他类型的时钟相比，光学时钟在需要时间同步之间的间隔更长，从而可让国家计时基础设施更加弹性，未来或可应用于自动驾驶汽车的定位和导航应用。此类时钟的准确性无与伦比，可以帮助超越标准的物理模型，了解暗物质和暗能量等宇宙中一些最神秘的部分，还有助于解决基本的物理问题，例如基本常数是否真的是“常数”，或者此类常数是否会随着时间变化。

首席研究员Yogeshwar Kale博士表示：“光学时钟的稳定性和精度使其对未来很多的信息网络和通信应用至关重要。一旦我们有了一个可在实验室外使用的系统，就可以将其应用于地面导航网络，让所有光学时钟通过光纤连接起来，互相交流。而这样的网络就可以减少我们对GPS的依赖，因为GPS系统有时会失灵。”

“此类可移动的光学时钟不仅将有助于改进大地测量——地球形状和重力变化的基本属性，还可用作前兆，在早期，监测和识别地震和火山德国地球动力学信号。”

尽管此种量子时钟发展迅速，但是在应用时的关键阻碍是尺寸。目前的量子时钟需要安装在货车或汽车拖车里，大小约为1500升；此外此类时钟对环境条件十分敏感，因而限制了其在不同的地方之间移动。

位于英国量子技术中心和传感器与计时中心的伯明翰团队提出了一种解决方案，研发了一个约120升，重量小于75公斤的“盒子”，解决了上述两个挑战。

该款时钟的工作原理是利用激光产生并测量原子中的量子振荡，既可以极其精确地测量此类振荡的频率，还可以测量时间。挑战之一就是要最大限度地减少外界对此类测量的影响，如机械振动和电磁干扰。为此，必须在真空中进行测量，并且外部干扰要降到最小。

此类新设计的核心是一个超高真空室，比目前在量子计时领域中使用的真空室小。该真空室可用于捕获原子，然后将原子冷却到接近于“绝对零度”的值，从而达到一个状态，可用于精密量子传感器。

该团队证明，他们可以在不到一秒钟的时间内捕获16万个超冷原子。此外，他们还展示了在90秒完成测量之前，可以将该系统运输至200公里开外。而在旅途中，该系统能够在高于室温8度的环境中工作。

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