这可能又是一个不得了的突破,具体有多了不得,我现在还不好说,因为它刚刚才发表在《自然》杂志上,还没有人告诉我们,它到底会带来怎样的改变。但它很可能是革命性的,未来我们所用的很多东西,可能都将因它而变得更好,比如GPS导航、手机电话、互联网连接、无人驾驶、音视频处理、医疗成像、量子通信、量子计算、精密仪器甚至雷达、天文望远镜等等,因为它可以减少“时间抖动”,从最基底的层面来改变我们的一切。
是不是不怎么明白?打个比喻就是说,以前我们需要显微镜才能看到微生物的图像,现在带上一副隐形眼镜,你眼睛的分辨率就可以提高十倍、百倍乃至千倍以上,从而可以直接看清细菌病毒,是不是巨大的突破?所有人看世界的方式都有可能改变。
这项发明来自美国国家标准技术研究院(NIST),他们和NASA、加州理工,科罗拉多大学博尔德分校,耶鲁大学、加州大学圣巴巴拉分校,弗吉尼亚大学等6家机构和大学合作,开发出了一种新的革命性计时微芯片,可以把光无缝转换为微波,从而显著提高各种依赖高精度计时和通信的设备的精度。
首先我们要知道,我们周围的一切,整个世界都建立在时间和空间的基础上,所有的运动都是时间和空间的变化,作为生命的我们,以及我们创建的各种设备,对时间和空间的感知越精细,对运动的控制就越精确。比如你能看清病毒了,是不是就更容易消灭它们了呢?
科学家们一直在探索如何更精确和高效地感知时间。此前,他们通过一种叫做频率梳的工具,从稳定光源来生成低噪声微波信号,从而提高设备的计时精度。频率梳,就像它的名字一样,可以产生一系列精确间隔的频率点,就像梳子上整齐排列的梳齿一样。这些频率点可以作为高精度的计时标准,帮助我们的科技设备更加精确地工作。
然而,传统的频率梳技术有着很大的局限。它们通常依赖庞大的光学设备,体积可能会达到数十升,不仅增加了成本,也限制了它们在更小、更便携设备中的应用。另外,这些系统的功耗也相对较高,可能会达到千瓦以上,这意味着它们在很多情况下都不太实际,尤其是在那些电源供应有限或者需要长时间运行的环境中。
正是在这样的背景下,美国国家标准技术研究院(NIST)利用集成光子技术,采用了一种全新的方法——两点光频率分割,成功地在微芯片上生成了低噪声微波信号。这种方法的核心在于,它使用了非常小的、集成在芯片上的光学元件。这些元件,包括半导体激光器和一个新型的F-P腔,可以被集成到小于1立方厘米的空间内,并且不需要进行高真空封装。这种优化组合不仅大幅降低了半导体激光器的频率噪声,而且通过自注入锁定(SIL)技术,将信号锁定一个到高品质因数(Q值)的氮化硅(Si3N4)螺旋谐振器上,进一步通过PDH锁定技术锁定到一个微型F-P腔,从而实现更进一步的噪声减少。
通过这一系列创新技术的应用,NIST的研究人员实现了显著的时间精度和稳定性提升,将时间抖动控制在了15飞秒,也就是千万亿分之15秒内。这个成就标志着前所未有的微波相位噪声水平,可能对高精度计时和通信技术的发展产生深远影响。
这样说可能太复杂了,绝大多数人都听不懂,简单来说,就是NIST把原来占据庞大体积的组件,集成到了小于1立方厘米的微芯片里,显著降低了微波信号计时中的微小随机变化——也就是所谓的“时间抖动”。这种时间抖动的减少,意味着能够提供更精确的时间控制,为各种设备带来了前所未有的精确度,正如以前要用显微镜,现在通过隐形眼镜就能让我们的眼睛直接看到细菌一样。
这个微芯片我感觉太重要了,很可能是革命性的,就像GPS和其他传感器一样,未来可能会成为很多设备不可或缺的一部分,让整个人类社会在更高的精度范围内运行。想当年,第一个军用GPS模块重达100多公斤,第一个商用模块也有数十公斤,随着集成电路技术的发展,GPS模块也越来越小,现在已经可以和芯片及其他传感器集成在一起了,这种计时微芯片的问世,有可能就是另一个技术飞跃的起点,引发各种新应用的涌现。
长期关注我的朋友可能还记得,就在上月底,我介绍过麻省理工王炸级的磁导航MagNav,也和这个有点类似,也是一种革命性的突破,目前也是手提箱大小,我感觉也有可能做成小型化的模块。不过它是用来定位的,这个是用来定时的,应用范围可能要广泛得多。我简单梳理了一下这项技术可能会对未来带来的变化。
对全球定位系统(GPS)和导航来说,减少时间抖动可以显著提高GPS信号的准确性,从而改善定位服务的精度,让无人驾驶、航海和航空导航等更加精准。
对通信技术来说,在电话和互联网基础设施中大量应用微芯片,可以提高信号的稳定性和准确性,增加数据传输速度和可靠性,减少延迟和丢包问题,各种秒开啊,可以大大提升我们的用户体验和系统效率。
对雷达系统来说,可以提升雷达信号的稳定性和准确性,提高雷达的分辨率和检测距离,看到更远、更小的目标。想想看,F-22隐形战机雷达截面只有钢珠大,F-35和高尔夫球差不多,原来雷达根本看不到,现在你能看到一颗钢珠,或高尔夫球以超音速飞行,那不妥妥的就是飞机吗?隐身还有什么用呢?
对天文观测来说,就像装上了更高清的镜头,可以提高望远镜阵列捕获的天文图像清晰度和精度,有助于我们更好地研究宇宙结构和大尺度天体的行为。
对于模拟数字转换器(ADC)来说,提高信号质量,意味着我们可以得到更高质量的音视频输出,医疗成像变得更清晰,科学研究的数据也更为精确可靠。
对量子计算和量子通信来说,精确的时间控制和信号同步,是实现量子位操作和量子纠缠的关键,通过提供极低的时间抖动,可能有助于实现更高效、更稳定的量子通信和计算协议。
对精密测量和仪器来说,需要极高精度和稳定性的测量设备,如时间频率标准和光谱分析仪,集成了这种微芯片,就可以提供更稳定和准确的测量结果。
所以这项技术的突破,可以让未来的各种设备,在基底层面上就变得更加精确、敏感,我感觉就相当于把游戏《我的世界》中的方块变成细小精致的颗粒,小得来我们的眼睛可能会把它看成是高精度的、细腻的真实画面,并且还更流畅耗能更小。
这项研究发表在3月6日《自然》杂志上,当然,这些只是我个人的一些理解和解读,科技的魅力在于它总是能够超越我们的想象。如果你有更深入、更精彩的见解,欢迎在评论区留言讨论。
论文:Photonic chip-based low-noise microwave oscillator
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