近日，电子学院陈景标教授团队和成都天奥电子股份有限公司、浙江法拉第激光科技有限公司、中国计量科学研究院合作，成功实现了一种基于铯原子的双波段光学-微波原子钟，在量子精密测量领域取得重要突破。该工作创新利用铯原子作为量子参考，集成的高端科学仪器可同时输出微波和光学跨波段频率标准，其中，光频原子钟和微波原子钟分别具有优异的短期和长期频率稳定度，扩展了基于铯原子的小型化高性能光频原子钟和实用化微波原子钟的应用范围，为原子钟在可搬运、高性能提升方面的卡脖子攻关提供新方案。相关研究成果以“Dual-frequency optical-microwave atomic clocks based on cesium atoms”为题，于8月29日发表于美国光学学会旗下的《Photonics Research》杂志。
图1. 论文截图
时间/频率是目前能够被测量的最准确的物理量，原子钟作为实现时频测量的高端科学仪器，意义重大。比如，通过频率比对进行基础物理研究、秒的现定义及重新定义、建立量子传感网络、时频传递等，促进了原子钟技术和种类的飞速发展，从微波钟到光钟，甚至核钟、脉冲星天文钟，原子钟类型不断迭代。即便如此，目前实现秒定义的原子钟还是铯原子微波钟，铯原子钟以其独特的优势，成为一级时间计量标准的参考，但如今，微波原子钟的精度已经不能满足某些高精密应用需求，尤其在基础科研方面，所以用光钟进行秒定义修改的工作正在如火如荼的开展，光晶格钟、离子光钟可能会成为秒重新定义的基准钟。但是，秒重新定义的三种方案还在广泛征集意见和讨论之中，且有可能采用微波钟、光钟齐头并进的方式，通过确定权重来实现秒定义的过渡以及重新建立。综上，开发一种权衡利弊、集微波-光学频标于一体、并延续现有铯原子频率参考地位的原子钟将是未来原子钟发展的一个重要方向。
图2. 基于铯原子的双波段光学-微波原子钟工作原理图和实物图
为解决上述问题，该工作创新性地利用铯原子量子参考，在一个高端科学仪器上同时实现了微波和光学两种不同波段的原子钟，且光频和微波两个波段即可以随意切换输出，也可以同时输出，兼具优异的短期和长期频率稳定度，实现了基于铯原子的双波段光学-微波原子钟。该方案只需一个本振激光，结构简单、性能优异、成本低廉，且能同时发挥微波和光频原子钟的优势。实现的铯原子小型光学原子钟频率稳定度3.9×10-13/ s，2000 s内的频率稳定度均在10-13量级，与国际利用热原子实现的最优小光钟性能相当，进一步，基于此激光实现的微波光抽运小铯钟频率稳定度为1.8×10-12/√τ，十万秒稳达6.0×10-15，是迄今国际上商用小型铯束原子钟的最优水平。
图3. 852 nm铯原子小型光学原子钟的频率随时间波动和频率稳定度指标
图4. 微波光抽运小铯钟Ramsey荧光信号与频率稳定度指标
该研究工作在北京大学电子学院陈景标教授（通讯作者）领导下完成，北京大学集成电路学院史田田助理研究员为论文第一作者，共同研究人员还包括北京大学电子学院博士生秦晓敏、刘子捷、史航博，成都天奥电子股份有限公司韦强高级工程师，浙江法拉第激光科技有限公司刘珍峰经理、陈昆昆，中国计量科学研究院曹士英研究员。该研究得到了科技创新2030―“量子通信与量子计算机”重大项目、中国博士后创新人才支持计划、温州重大科技创新重点项目、国家自然科学基金的支持。
文章来源：PKU电子学人
