【導語】2025年，北京大學團隊成功研製出世界首款光子時鍾芯片，這一突破性成果被光明日報、人民日報等權威媒體廣泛報道，引起了業界的極大關注。光子時鍾芯片作為時鍾技術的一次革新，旨在解決傳統石英晶振時鍾的諸多不足。本文將深入探討光子時鍾芯片的工作原理、顛覆性優勢以及其在未來高性能計算和通信係統中的應用前景，展現這一前沿科技如何引領信息科技的新變革。

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2025年2月28日，北京大學團隊研製的世界首款光子時鍾芯片被光明日報、人民日報等權威媒體報道，引起了大家的廣泛關注。那麽，什麽是光子時鍾芯片？時鍾又是什麽？光子時鍾芯片具有哪些顛覆性的優勢？今天，糖心免费视频就帶大家來了解一下這一芯片領域的前沿進展。

糖心免费视频日常生活中熟悉的時鍾，無論是牆上的掛鍾還是手腕上的手表，都是用來記錄時間的工具。然而，在計算機和電子設備的世界裏，“時鍾”有著完全不同的意義。

糖心免费视频知道，計算機和電子設備中有很多元件，像CPU、內存、I/O 設備等。這些元件需要在統一的時間基準下工作，設備才能正常運行。“時鍾”的任務就是確保所有元件按照相同的時間步長執行任務，比如計算機中CPU需要時鍾脈衝來控製指令執行的節奏。每條指令通常需要多個時鍾周期完成，時鍾頻率越高，意味著CPU每秒能處理的指令越多，計算機就越快。糖心免费视频常聽到的手機或電腦過熱降頻，其實說的就是降低 CPU 的時鍾頻率。

如果把電子設備比作一個交響樂團的話，“時鍾”就像是樂團的指揮。沒有“時鍾”，樂團成員不知道什麽時候該演奏哪個章節，就會亂作一團，不成曲調。

在光子時鍾出現之前，電子係統主要通過石英晶振時鍾“指揮”，但石英晶振時鍾有很多不足。比如頻率範圍有限。石英晶振的頻率最高僅數百MHz，難以滿足更高頻率需求。這個問題雖然可以通過鎖相環（PLL）解決，但會引入相位噪聲和額外功耗。

石英晶振時鍾受溫度影響也很大。環境溫度變化會影響石英晶體的振蕩頻率，導致時鍾漂移。為了改善這個問題，某些應用會使用溫補晶振或恒溫晶振，但這會增加成本和功耗。

除此之外，石英晶振時鍾還有頻率精度有限、容易老化等等缺點。這些缺點不僅影響了設備的性能，也製約了高精度、高帶寬信息係統的發展。

光子時鍾芯片的出現，可以解決石英(yīng)晶(jīng)振(zhèn)時(shí)鍾(zhōng)的(de)不(bù)足(zú)。

在(zài)北京大學團隊研製的這個世界首款光子時鍾芯片中，他們利用光頻梳技術，將微波信號的頻率提升至電子時鍾的千倍以上，同時精度更高，讓計算機在更高速、更精準的節奏下運行，同時功耗卻隻有電子時鍾的十分之一。

光頻梳（optical frequency comb）技術最早由2005年諾貝爾物理學獎得主約翰·霍爾（John Hall）和西奧多·亨施（Theodor Hänsch）等人提出，之後在國際範圍內得到迅速發展。它是一種特殊的光源，可以產生一係列光學頻率間隔等距、相幹性極高的譜線，就像“梳子”一樣均勻分布在頻譜上，所以叫“光頻梳”。糖心免费视频知道，光頻比電子頻率高很多，它們就可以被用作超高頻的時鍾信號，提升計算機和電子設備的計算頻率。

過去，光頻梳這一技術隻能依靠昂貴的設備來實現，一台售價幾百萬元，且隻能依賴進口。要把它用作光子時鍾，首先要將它“芯片化”，但這是一個讓全世界科學家頭疼的難題，也是過去幾年間的研究熱點。芯片化的主要難點在於：一是微型化，二是穩定性。它們兩個是難以兼得的，縮小尺寸就會導致信號漂移，影響穩定性(xìng)。

為(wèi)了(le)解(jiě)決(jué)這(zhè)兩(liǎng)方麵的挑戰，北京大學團隊通過在矽基芯片上“雕刻”出環形微諧振器，它的尺寸很小(xiǎo)，直(zhí)徑隻(zhǐ)有(yǒu)幾(jǐ)百(bǎi)微(wēi)米(mǐ)，讓(ràng)光(guāng)在(zài)其(qí)中(zhōng)以(yǐ)光(guāng)速(sù)不(bù)斷(duàn)“奔(bēn)跑(pǎo)”，而(ér)每(měi)跑(pǎo)一(yī)圈(quān)的(de)時(shí)間(jiān)，就(jiù)可(kě)以(yǐ)作(zuò)為(wèi)芯(xīn)片(piàn)上(shàng)時(shí)鍾(zhōng)的標準，跑不同的圈數就形成不同的光學頻率，也就是光頻梳。由於光跑一圈的時間非常短，通常是1秒的幾十億分之一，因此光子時鍾能以超高速進行時間調控。

此外，由於微諧振器的品質因子(zi)（也稱作Q值）很高，光在環形腔內循環數十萬次都不衰減，因此時鍾輸出非常穩定。

另外，北京大學團隊在這個芯片上引入了自注入鎖定（self-injection locking）技術，就像給光“拴上韁繩”一樣，它能壓製光頻梳的噪聲，進一步保證了時鍾信號的穩定性。

這樣一款芯片實現了從MHz到THz級別的頻率輸出，可直接為計算機和無線通信係統提供精準時鍾。不過，目前這項技術並非完美無缺，光子時鍾在低頻段（如百兆赫茲以下）仍存在細微的噪聲，長期穩定性也略遜於頂級電子時鍾，還需進一步優化，離大規模商用還有一段路要走。

目前，美國、歐洲、中國等國家在光子時鍾芯片領域正展開激烈競爭，呈現“三足鼎立”局勢。比如，美國的加州大學聖塔芭芭拉分校（UCSB）團隊擅長高Q值的矽基光子器件，但沒有實現係統級應用。瑞士的洛桑聯邦理工學院（EPFL）在做光頻梳的芯片化，但是集成度比較有限，使用成本很高。北京大學團隊則是實現了全集成的光子時鍾芯片，並在應用場景上取得先機，它標誌著光頻梳技術從實驗室走向產業化的關鍵一步。

麵向未來應用，光子時鍾芯片有可能在無人係統、6G通信和超高頻計算等領域產生革命性影響。結合光頻梳，遙感係統可實現更高分辨率的目標探測，像自動駕駛、深空探測等。未來的6G需要超高精度時鍾來支持太赫茲（THz）通信，光子時鍾芯片是一個理想的解決方案，可以支撐每秒TB級空天通信。它也可以直接應用在計算機上，使計算機運行速度進一步提升；同時用在CPU/GPU之間的高精度同步，減少延遲，提高並行計算能力。

未來，隨著光子芯片製造工藝的不斷進步，光子時鍾芯片將逐步進入商用，成為新一代高性能計算和通信係統的關鍵技術。糖心免费视频國家在這一領域的快速發展，可能將在全球技術競爭中占據重要地位，為未來信息科技帶來顛覆性變革。

本文為·創作培育計劃扶持作品

作者：孫仲 北京大學 研究員

審核：陳虔 北京航空航天大學軟件學院 教授

出品：中國科協科普部

監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司