背景

　　如今，人类面对的信息量呈爆炸式增长，对通信速度的要求却越来越高。为此，科学家们过去一直在推动移动通信技术的发展与更新换代。现在，5G（第五代移动通信技术）时代已经到来，世界各国都在积极推进5G的部署与商用。

　　5G对人类未来生活的影响十分广泛。首先，增强型的移动宽带意味着上网更快，约为4G网速的数百倍；其次，接入网络的设备将变得更多，智能硬件、机器人、汽车等都有望接入5G网络；还有，高度可靠且实时的通信，让无人驾驶、远程医疗都变为可能；最后，5G技术也将进一步推动物联网的发展，实现更实时、快速、高效的万物互联。

　　如今，5G发展得如火如荼。但是，世界上不少国家都已经开始着眼于未来的“后5G时代”，开发超越5G的超高速通信技术。例如，日本总务省去年7月公布了以2030年代为设想的电波利用战略方案。作为将在2030年代实现的革命性电波系统之一，日本提出了“Beyond 5G”。后5G时代，移动通信速度有望达到5G的十倍之上。

　　当然，后5G时代需要一系列关键技术作为基础。其中一种非常有前景的技术就是：开发一系列微米级或者纳米级的小型卫星。这些卫星在近地轨道围绕着地球运转。拿纳米卫星来说，其重量可低于10公斤，体积可小于1000cm3。

　　基于开源硬件Arduino制造的“ArduSat”纳米卫星（图片来源：维基百科）

　　基于现成的智能手机平台的“PhoneSat”纳米卫星（图片来源：维基百科）

　　然而，这样一大群卫星需要与全球时间标准进行极度精准的同步，因此每个卫星上都需要都配备非常精准的原子钟。

　　创新

　　近日，日本东京工业大学、理光公司、产业技术综合研究所的科学家们开发出一种超低功耗原子钟（ULPAC）。它可用于小型卫星，开启未来“后5G时代”的通信系统。他们提出的设备在多个基准上超越了目前的工业标准，这些基准包括尺寸、稳定性和功耗。

　　“33 mm x 38 mm x 9 mm”的原子钟原型（图片来源：东京工业大学）

　　技术

　　传统的原子钟尺寸太大（155~755cm3），功耗也太大（达10W），以至于无法在小型卫星上使用。

　　因此，研究人员们通过采用一种称为“相干布居数囚禁（coherent population trapping）”的方法，开发出了尺寸和功耗都大幅减小的量子原子钟。

　　集成的量子包装（图片来源：东京工业大学）

　　理光公司与产业技术综合研究所的工作主要是改善设备的阿伦方差，而东京工业大学专注于降低功耗。这项合作的最终成果就是一个非常有前景的原子钟原型。它可以超越现有的工业标准，使得未来的电信系统（例如超越5G的那些）能够成为现实。

　　价值

　　在功耗方面，他们设备的锁相环（量子原子钟的基本组件）的功耗，相比于之前报告的设备中的锁相环的功耗，要低一个量级。

　　除了低功耗，他们提出的原子钟超越目前报告的设备的还有其他两个关键方面：占据的体积以及阿伦方差。

　　在微纳卫星上高效利用空间是非常重要的，所以科学家们需要保证最终的设计适合很小的空间。阿伦方差，是一种对于时钟频率稳定性的测量；低阿伦方差表明时钟非常稳定且可靠。该团队开发的原子钟在这两个方面看起来都不错。

　　东京工业大学副教授 Kenichi Okada 解释道：“我们的原子钟原型实现了长时间稳定的阿伦方差，即τ=105s的情况下为2.2×10 12（而工业标准是τ=1s的情况下为3.0×10 10），而占据体积仅为15.4cm3（比目前最小的原子钟稍微小一点）。”

　　未来

　　研究团队称还有改进的余地。Okada 表示：“总功耗为59.9 mW，这主要来自原型中的微控制器单元，可以采用定制的逻辑电路来进一步降低。”

　　关键字

　　原子、量子、5G、通信

　　参考资料

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