更小更耗电量的量子原子钟推动智能物联网

更小更耗电量的量子原子钟推动智能物联网

东京理工大学、理光公司和国家先进工业科学技术研究所的科学家们已经为小型卫星开发了一种超低功率原子钟(ulpac),使未来的通信系统超过5g。该设备在尺寸、稳定性和功耗。

图1.原子钟原型(33毫米x 38毫米x 9毫米)

新开发的紧凑型ULPAC安装在小型卫星、汽车和智能手机上,加速了无缝和按需移动通信网络的实现。

随着当前电信技术的不断发展,全球用户所需的数据速度和数量也相应增加。满足这种不断增长的需求的一种有希望的方法是在低地球轨道上部署一组围绕地球旋转的纳米或微尺度卫星。然而,这样的卫星群需要非常精确的同步到一个全球时间标准,对于这个标准,每个单元上都需要一个非常精确的原子钟。

由于传统的原子钟太大(155–755立方厘米),而且在小型卫星上消耗的功率太大(高达10瓦),研究人员利用一种称为相干种群捕获的方法,开发出了尺寸和功耗大大减小的量子原子钟。基于这种方法,东京理工大学的研究人员,连同理光有限公司和国家先进工业科学技术研究所(AIST),最近设计了一个功能齐全的原子钟,它超过了当前的工业基准。在功耗方面,他们的设备锁相环是量子原子钟的重要组成部分,其功耗比先前报道的设备低一个数量级。

除了低功耗外,拟议中的原子钟在其他两个关键方面超过了目前报道的设备:占体积和艾伦偏差。因为有效地利用现有空间是纳米/微尺度卫星的本质,所以确保最终设计能够适合非常小的体积。至于艾伦偏差,它是一个衡量时钟频率稳定性的指标;较低的艾伦偏差意味着一个非常稳定可靠的时钟。团队开发的原子钟在这两个方面也很不错。”我们的原子钟原型在τ=105 s(τ=1 s时,行业标准为3.0×10−10)下实现了2.2×10−12的长期Allan偏差,而体积仅为15.4 cm3(略小于目前最小的原子钟),东京理工大学的副教授冈田健一解释说。

根据研究小组的说法,还有改进的空间。”总功耗为59.9mw,这主要是因为该原型中的微控制器单元,并且可以通过使用自定义逻辑电路进一步降低,”冈田解释说。成品照片见图1和图2。理光和艾斯特致力于改善设备的艾伦偏差,而东京理工的研究人员则专注于降低其功耗。这种合作的最终结果是一个非常有前途的原子钟的原型,它进一步推动当前的基准,使未来的电信系统,如5G以外的系统,能够成为现实。

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图2.集成量子包

所提出的低功率原子钟的量子包可以容纳比目前最小的原子钟更小的体积。

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