光子时钟芯片问世产业落地光芒初绽

  清晨，当你用手机查看导航时，GPS信号因时钟偏差出现几米的定位误差；无人驾驶汽车因毫米波雷达的时频不同步，在暴雨中误判障碍物距离；遥感卫星因时间基准产生的测量偏差，错过监测森林火灾的最佳时机……这些场景都与电子时钟的精度与速度接近触及物理极限相关。

  近日，北京大学常林教授团队与中国科学院空天信息研究院联合研发的全球首款光子时钟芯片，实现了时间调控速度的百倍跃升。这项突破将北斗导航系统的定位误差从米级压缩至毫米级，可应用在6G通信、空天遥感、超算等领域，为未来超高速计算提供有力支撑。

  传统电子时钟依赖石英晶体振荡器，其频率上限有限。想要获取更高频率信号，一定要通过多级倍频电路“接力”，但每级转换都会引起噪声和功耗损失。面对难题，常林团队选择将实验室里庞大的光学频率梳系统压缩到一枚芯片上。

  “不同于传统方案，我们开发的光子芯片技术‘以光为媒’，通过光子产生时钟信号。就速度而言，光比电快很多，因此用光子时钟来处理信息，速度比电子时钟快得多。”常林对中国知识产权报记者表示，光学频率梳就像一把标尺，能将激光器发出的光波分割成无数等间距的“梳齿”，每个“齿尖”对应一个精准频率。团队在芯片上构建了微米级的光学环形谐振腔。当激光在其中循环时，非线性效应将单一频率的光扩展为覆盖数百吉赫（GHz）的“光子梳”，直接输出超高精度时钟信号。这一突破让芯片面积缩减至传统设备的千分之一，功耗大幅降低。

  将宏观光学系统微缩到芯片上，如同在头发丝上雕刻一座精密时钟，团队面临诸多难题。对此，团队开发了深度学习辅助的光子调控模型，通过训练神经网络实时解析光波导中的热光效应、应力分布等参数，系统可动态调整激光功率与谐振腔温度，将群速度波动控制在0.01%以内，使时钟抖动从皮秒级压缩至飞秒级。

  “通过这种方案，我们大家可以基于光来进行芯片上的信息传输与处理，从而极大提升传统芯片的性能。”常林团队在实验中发现，他们能够只用一个芯片就能覆盖目前所有微波频段的时钟。这也代表着，这一芯片能支持从2G到6G，甚至更高速度的手机通信，从而避免了过去每升级一次通信方案，就需要更新一次手机硬件的问题。

  技术突破的背后，是一张严密的专利网络。围绕“光替电”的全链条，常林团队目前已布局了多件专利。

  在某公司6G实验室中，搭载光子时钟芯片的测试设备正悄然运转。传统基站升级到新通信标准时，必须更换时钟模块硬件，而光子芯片可通过软件重新配置输出任意频段信号，让设备“终身服役”。

  在中国科学院空天信息研究院里，搭载光子时钟的“虚拟卫星”正以毫米级间距编队飞行。“传统卫星依赖地面站校准时间，同步误差达毫秒级，导致立体成像分辨率不足。”相关负责这个的人说，“星载光子时钟可将同步精度提升至微秒级，让卫星群自主协同。”这一突破使遥感卫星的观测效能提升10倍：森林碳汇测算误差从30%降至5%，甚至能从太空实时追踪人流与车辆的轨迹。

  在某超算中心的试验平台上，搭载光子时钟芯片的服务器集群正在运行大语言模型训练。传统图形处理器（GPU）受限于电子时钟的 GHz级频率，计算单元的协同效率存在天花板，而光子时钟提供的太赫兹（THz）级信号，能让数万块计算芯片实现飞秒级同步，彻底释放并行计算潜力，从而极大提升万亿规模大模型的处理速度。

  光子时钟芯片存在广泛的应用前景。在智能计算领域，它将大幅度的提高计算速度和效率，推动AI算法的重大突破。在6G通信领域，它能让通信网络更快更稳定，满足未来万物互联的需求。在航天领域，高精度的时间同步至关重要，光子时钟芯片能提升卫星通信和遥感数据处理能力，助力我们探索更广阔的宇宙。甚至在我们的手机上，它也能提高网络速度和性能，改善使用者真实的体验，让人们的生活更便捷。

  “我们自主研发的光子时钟芯片将率先应用于无线通信和车载毫米波雷达等领域，有望改变以往每一代无线技术升级都要换掉手机和基站硬件设备的局面。”常林表示，其进一步的应用将拓展至 AI智能计算领域，目前 GPU、CPU（中央处理器）的主频通常在 GHz量级，而光子时钟芯片可提供高出数十倍甚至上百倍的时钟频率，为未来超高速计算提供有力支撑。

  为使这一技术更好地融入产业生态，常林团队与多家行业伙伴展开合作。目前，该芯片基于实际的需求进行了持续优化与技术迭代，显著加速了技术从实验室走向产业化的进程。

  从6G基站到深空卫星，从超算中心到智能汽车，一场由光子时钟驱动的“时间革命”已悄然启幕。在这条赛道上，中国不仅跑出了加速度，更用专利与创新构筑了牢固的“护城河”。(记者 叶云彤)