量子原子钟:开启后5G时代!

IntelligentThin 2019-02-25 20:06

导读


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的原子钟。它可应用于小型卫星,开启“后5G时代”的未来通信系统。


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




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