藍寶石時鐘與原子鐘有何區別

01

—

 

引言

 

在人類定義的七個物理量中，時間是精度最高的；時間的測量精度遠高於其他物理量多個數量級。比如長度的測量到奈米級，已經很難測量了。即便是奈米級，也就是 1E-9量級。然而對於時間頻率的測量而言，數萬元的頻率計即可測量到1E-12量級。目前原子鐘的測量精度可達1E-19量級，遠高於其他物理量的測量精度。

 

由於頻率測量的高精度，許多高精度測量都轉到頻域進行測量；甚至物理量的定義都依賴於頻率；比如米的定義： “光在真空中行進1/299 792 458秒的距離”。

 

根據量子物理學的基本原理，原子是按照不同電子排列順序的能量差，也就是圍繞在原子核周圍不同電子層的能量差，來吸收或釋放電磁能量的。這裡電磁能量是不連續的。當原子從一個 “能量態”躍遷至低的“能量態”時，它便會釋放電磁波。這種電磁波特徵頻率是不連續的，這也就是人們所說的共振頻率。同一種原子的共振頻率是一定的—例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周。因此銫原子便用作一種節拍器來保持高度精確的時間。

 

現實世界中許多精密測量都依賴於時頻測量，如衛星導航系統；為了實現定位，衛星必須確保同步傳送訊號；各衛星時間的誤差都需要被精確的監控；衛星主控站擁有數十臺原子鐘，其時間與國際原子時定期比對。

 

02

—

藍寶石時鐘

 

但在許多場合，準確度沒有精密度更重要。準確度英文稱為 “Accuracy”，指在一定實驗條件下多次測定的平均值與真值相符合的程度，它用來表示誤差的大小。

 

精密度是表示測量的再現性，英文稱為 “Precise”，是保證準確度的先決條件，但是高的精密度不一定能保證高的準確度。好的精密度是保證獲得良好準確度的先決條件，一般說來，測量精密度不好，就不可能有良好的準確度。反之，測量精密度好，準確度不一定好，這種情況表明測定中隨機誤差小，但系統誤差較大。

 

原子鐘依賴於原子能級躍遷產生的頻率，這個頻率在檢定和鎖定過程中存在誤差，導致原子鐘精密度不高，但準確度高。

 

 

 

 

藍寶石時鐘是另一種時鐘，其準確度不如原子鐘，但精密度高於原子鐘；藍寶石時鐘相鄰的振盪週期誤差極小，復現一致性好。如果用飛鏢做比喻，原子鐘則瞄準靶心，但誤差較大，分佈在較大的一片區域，如上圖右所示；藍寶石時鐘並不瞄準靶心，飛鏢全部落到一個極小的範圍，但每個飛鏢都是一樣的，如上圖左所示；。在許多場合，人們對準確度要求不高，但對精密度要求極高

 

將藍寶石加工成圓柱形，放入潔淨的銅腔，注入微波訊號，則微波訊號繞著圓周旅行，就像聲音在牆壁上反射一樣；由於這種旅行損耗極小，從而在自然諧振頻率積累了大量的能量。利用這種方法可以構建世界上最精密的振盪器。

 

當把藍寶石冷卻到絕對零度（ -267度），其損耗將極大下降，可以做成世界上最精密的時鐘。世界第一臺藍寶石振盪器誕生在澳大利亞西澳大學，主要應用於引力波檢測。這種溫度需要採用液氦製冷方式，液氦製冷價格昂貴，體積龐大，難以推廣使用。藍寶石時鐘通常很難在常溫下使用，需要克服溫度變化、振動和噪聲的影響。 長沙天穹電子科技公司透過多年的努力攻關，解決了這些問題；研製成功我國首臺非低溫型超穩藍寶石時鐘產品。

 

 

03

—

藍寶石時鐘應用

 

對於氣象雷達，由於依賴訊號的回波進行檢測，雷達頻綜對於訊號頻率準確度要求不高，而對訊號頻率精密度要求極高，而藍寶石時鐘就是這樣一種訊號頻率精密度極高的產品。採用藍寶石時鐘作為雷達頻綜基準，可使發射機相位噪聲譜密度降低 ,雷達改善因子提高,顯著提升氣象雷達的探測效能。

 

藍寶石時鐘還可廣泛應用於精密物理測量，比如高效能原子鐘利用原子的能級躍遷來獲得穩定的頻率，然而原子鐘內部需要一個超穩微波源進行激勵，當藍寶石時鐘作為該激勵源時，由於其超穩效能將降低訊號合成噪聲，提升原子鐘的輸出的穩定性。

 

在量子計算領域藍寶石時鐘可提高量子位元的穩定性，從而提升量子計算效率。傳統的計算機將電流斷開、開通產生一個二進位制位元資訊，被 0 或 1 表達；而量子計算機依靠量子位元，量子位元是一種複雜的疊加態，同時可能是1，也有可能是0，其效果是極大的增加了量子位元能編碼的資訊，但量子位元的麻煩在於，它們是瞬時變化且不穩定的；需要一個極為穩定的時鐘來同步多個量子裝置。藍寶石時鐘將產生與量子位元同頻的主時鐘訊號，實現了量子位元的計算。

 

未來的寬頻通訊向高速率、高頻寬的方向發展，藍寶石時鐘可作為寬頻通訊的頻率基準，降低由於頻率抖動帶來的誤位元速率，解決制約寬頻通訊速率提高的瓶頸技術，提升寬頻通訊的效能。未來的儀器裝置從高速模數轉換器和數模轉換器（ ADC/DAC)到雷達和基礎研究應用，都需要訊號有更好的頻率穩定性和頻譜純度。藍寶石時鐘為訊號分析儀、網路分析儀、訊號源等儀器的模數和數模轉換提供超穩基準源，大幅減少取樣噪聲，提升訊號分析準確性和精度，為5G、6G和毫米波等高頻訊號分析提供技術保障。

 

05

—

關於述泰時頻

 

       長沙天穹電子是專業的時頻產品供應廠家， “述泰”為公司擁有的註冊商標。公司專注於低加速度敏感頻率控制元件、高Q值諧振器和超低相位噪聲技術領域。公司是國內極少數既能掌握高效能晶體振盪器器技術，又能根據應用場景和客戶需求，提出全套振動環境下高穩定訊號產生方案的企業。