清晨，當你用手機查看導航時，GPS信號因時鐘偏差出現幾米的定位誤差；自動駕駛汽車因毫米波雷達的時頻不同步，在暴雨中誤判障礙物距離；遙感衛星因時間基準產生的測量偏差，錯過監測森林火災的最佳時機……這些場景都與電子時鐘的精度與速度接近觸及物理極限相關。
近日，北京大學常林教授團隊與中國科學院空天信息研究院聯合研發的全球首款光子時鐘芯片，實現了時間調控速度的百倍躍升。這項突破將北斗導航系統的定位誤差從米級壓縮至毫米級，可應用在6G通信、空天遙感、超算等領域，為未來超高速計算提供有力支撐。
從“電子滴答”到“光子交響”
傳統電子時鐘依賴石英晶體振蕩器，其頻率上限有限。想要獲取更高頻率信號，必須通過多級倍頻電路“接力”，但每級轉換都會引起噪聲和功耗損失。面對難題，常林團隊選擇將實驗室里龐大的光學頻率梳系統壓縮到一枚芯片上。
“不同于傳統方案，我們開發的光子芯片技術‘以光為媒’，通過光子產生時鐘信號。就速度而言，光比電快很多，因此用光子時鐘來處理信息，速度比電子時鐘快得多。”常林對中國知識產權報記者表示，光學頻率梳就像一把標尺，能將激光器發出的光波分割成無數等間距的“梳齒”，每個“齒尖”對應一個精準頻率。團隊在芯片上構建了微米級的光學環形諧振腔。當激光在其中循環時，非線性效應將單一頻率的光擴展為覆蓋數百吉赫（GHz）的“光子梳”，直接輸出超高精度時鐘信號。這一突破讓芯片面積縮減至傳統設備的千分之一，功耗大幅降低。
將宏觀光學系統微縮到芯片上，如同在頭發絲上雕刻一座精密時鐘，團隊面臨諸多難題。對此，團隊開發了深度學習輔助的光子調控模型，通過訓練神經網絡實時解析光波導中的熱光效應、應力分布等參數，系統可動態調整激光功率與諧振腔溫度，將群速度波動控制在0.01%以內，使時鐘抖動從皮秒級壓縮至飛秒級。
“通過這種方案，我們可以基于光來進行芯片上的信息傳輸與處理，從而極大提升傳統芯片的性能。”常林團隊在實驗中發現，他們可以只用一個芯片就能覆蓋目前所有微波頻段的時鐘。這也意味著，這一芯片可以支持從2G到6G，甚至更高速度的手機通信，從而避免了過去每升級一次通信方案，就需要更新一次手機硬件的問題。
技術突破的背后，是一張嚴密的專利網絡。圍繞“光替電”的全鏈條，常林團隊目前已布局了多件專利。
從實驗室到產業端
在某公司6G實驗室中，搭載光子時鐘芯片的測試設備正悄然運轉。傳統基站升級到新通信標準時，必須更換時鐘模塊硬件，而光子芯片可通過軟件重新配置輸出任意頻段信號，讓設備“終身服役”。
在中國科學院空天信息研究院里，搭載光子時鐘的“虛擬衛星”正以毫米級間距編隊飛行。“傳統衛星依賴地面站校準時間，同步誤差達毫秒級，導致立體成像分辨率不足。”相關負責人表示，“星載光子時鐘可將同步精度提升至微秒級，讓衛星群自主協同。”這一突破使遙感衛星的觀測效能提升10倍：森林碳匯測算誤差從30%降至5%，甚至能從太空實時追蹤人流與車輛的軌跡。
在某超算中心的試驗平臺上，搭載光子時鐘芯片的服務器集群正在運行大語言模型訓練。傳統圖形處理器（GPU）受限于電子時鐘的 GHz級頻率，計算單元的協同效率存在天花板，而光子時鐘提供的太赫茲（THz）級信號，能讓數萬塊計算芯片實現飛秒級同步，徹底釋放并行計算潛力，從而極大提升萬億規模大模型的處理速度。
光子時鐘芯片有著廣泛的應用前景。在智能計算領域，它將大幅提升計算速度和效率，推動人工智能算法的重大突破。在6G通信領域，它能讓通信網絡更快更穩定，滿足未來萬物互聯的需求。在航天領域，高精度的時間同步至關重要，光子時鐘芯片能提升衛星通信和遙感數據處理能力，助力我們探索更廣闊的宇宙。甚至在我們的手機上，它也能提高網絡速度和性能，改善用戶體驗，讓人們的生活更便捷。
“我們自主研發的光子時鐘芯片將率先應用于無線通信和車載毫米波雷達等領域，有望改變以往每一代無線技術升級都需要更換手機和基站硬件設備的局面。”常林表示，其進一步的應用將拓展至 AI智能計算領域，目前 GPU、CPU（中央處理器）的主頻通常在 GHz量級，而光子時鐘芯片可提供高出數十倍甚至上百倍的時鐘頻率，為未來超高速計算提供有力支撐。
為使這一技術更好地融入產業生態，常林團隊與多家行業伙伴展開合作。目前，該芯片基于實際需求進行了持續優化與技術迭代，顯著加速了技術從實驗室走向產業化的進程。
從6G基站到深空衛星，從超算中心到智能汽車，一場由光子時鐘驅動的“時間革命”已悄然啟幕。在這條賽道上，中國不僅跑出了加速度，更用專利與創新構筑了牢固的“護城河”。(記者 葉云彤)
轉自：中國知識產權報
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