背景

　　如今，人類面對的信息量呈爆炸式增長，對通信速度的要求卻越來越高。爲此，科學家們過去一直在推動移動通信技術的發展與更新換代。現在，5G（第五代移動通信技術）時代已經到來，世界各國都在積極推進5G的部署與商用。

　　5G對人類未來生活的影響十分廣泛。首先，增強型的移動寬帶意味着上網更快，約爲4G網速的數百倍；其次，接入網絡的設備將變得更多，智能硬件、機器人、汽車等都有望接入5G網絡；還有，高度可靠且實時的通信，讓無人駕駛、遠程醫療都變爲可能；最後，5G技術也將進一步推動物聯網的發展，實現更實時、快速、高效的萬物互聯。

　　如今，5G發展得如火如荼。但是，世界上不少國家都已經開始着眼於未來的“後5G時代”，開發超越5G的超高速通信技術。例如，日本總務省去年7月公佈了以2030年代爲設想的電波利用戰略方案。作爲將在2030年代實現的革命性電波系統之一，日本提出了“Beyond 5G”。後5G時代，移動通信速度有望達到5G的十倍之上。

　　當然，後5G時代需要一系列關鍵技術作爲基礎。其中一種非常有前景的技術就是：開發一系列微米級或者納米級的小型衛星。這些衛星在近地軌道圍繞着地球運轉。拿納米衛星來說，其重量可低於10公斤，體積可小於1000cm3。

　　基於開源硬件Arduino製造的“ArduSat”納米衛星（圖片來源：維基百科）

　　基於現成的智能手機平臺的“PhoneSat”納米衛星（圖片來源：維基百科）

　　然而，這樣一大羣衛星需要與全球時間標準進行極度精準的同步，因此每個衛星上都需要都配備非常精準的原子鐘。

　　創新

　　近日，日本東京工業大學、理光公司、產業技術綜合研究所的科學家們開發出一種超低功耗原子鐘（ULPAC）。它可用於小型衛星，開啓未來“後5G時代”的通信系統。他們提出的設備在多個基準上超越了目前的工業標準，這些基準包括尺寸、穩定性和功耗。

　　“33 mm x 38 mm x 9 mm”的原子鐘原型（圖片來源：東京工業大學）

　　技術

　　傳統的原子鐘尺寸太大（155~755cm3），功耗也太大（達10W），以至於無法在小型衛星上使用。

　　因此，研究人員們通過採用一種稱爲“相干布居數囚禁（coherent population trapping）”的方法，開發出了尺寸和功耗都大幅減小的量子原子鐘。

　　集成的量子包裝（圖片來源：東京工業大學）

　　理光公司與產業技術綜合研究所的工作主要是改善設備的阿倫方差，而東京工業大學專注於降低功耗。這項合作的最終成果就是一個非常有前景的原子鐘原型。它可以超越現有的工業標準，使得未來的電信系統（例如超越5G的那些）能夠成爲現實。

　　價值

　　在功耗方面，他們設備的鎖相環（量子原子鐘的基本組件）的功耗，相比於之前報告的設備中的鎖相環的功耗，要低一個量級。

　　除了低功耗，他們提出的原子鐘超越目前報告的設備的還有其他兩個關鍵方面：佔據的體積以及阿倫方差。

　　在微納衛星上高效利用空間是非常重要的，所以科學家們需要保證最終的設計適合很小的空間。阿倫方差，是一種對於時鐘頻率穩定性的測量；低阿倫方差表明時鐘非常穩定且可靠。該團隊開發的原子鐘在這兩個方面看起來都不錯。

　　東京工業大學副教授 Kenichi Okada 解釋道：“我們的原子鐘原型實現了長時間穩定的阿倫方差，即τ=105s的情況下爲2.2×10 12（而工業標準是τ=1s的情況下爲3.0×10 10），而佔據體積僅爲15.4cm3（比目前最小的原子鐘稍微小一點）。”

　　未來

　　研究團隊稱還有改進的餘地。Okada 表示：“總功耗爲59.9 mW，這主要來自原型中的微控制器單元，可以採用定製的邏輯電路來進一步降低。”

　　關鍵字

　　原子、量子、5G、通信

　　參考資料

　　【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2019/043524.html