海上光学时钟，彻底改变海上导航和地球物理监测
近年来，光学时钟的进步为海上导航、地球物理监测和自主系统的深刻变革奠定了基础。在动态且充满挑战的海洋环境中部署这些高精度计时设备是一个引人入胜的话题，有望突破科学和技术的界限。光学时钟（基于光的振荡来测量时间）已成为一种功能远远超出传统原子钟的工具，其在海上的应用可以实现更准确的全球定位、更好的天气和地震监测，以及对远距离时间同步的新见解。
什么是光学钟？
光学钟是一种利用光的振荡（通常来自激光）来测量时间的设备。与传统的微波原子钟（利用铯等原子的振动）不同，光学钟依靠更快的光振荡，可以实现更高的精度。具体来说，光学钟测量原子或分子发射的光的频率，从而使其精度远超微波原子钟。
- 精度：光学时钟的不确定度可以达到10⁻¹⁸量级或更高。与不确定度在10⁻¹⁴到10⁻¹⁵范围内的微波时钟相比，这是一个惊人的进步。
- 机制：光学时钟通常依赖于一种过程，即调整激光以匹配特定原子或离子跃迁的自然频率。一次振荡所需的时间非常精确，这使得这些时钟成为需要高精度的应用的理想选择。
如此精确地测量时间的能力开辟了多种潜在的应用，包括：更精确的计时意味着更准确的位置数据，这对于导航至关重要；基于时间的测量对于地震监测、地震研究和海啸预报至关重要；光钟在更广泛的量子技术领域发挥着作用，包括量子计算和量子通信。
在海上部署光学时钟的挑战
尽管光学时钟潜力巨大，但在船舶、浮动平台或其他海洋环境中部署光学时钟仍面临一系列独特的挑战。海洋环境本质上是不稳定的，光学时钟必须能够在动态条件下运行。
船舶或浮动平台的持续运动会产生振动和不稳定，从而影响高灵敏度光学时钟的性能。这些振动会扭曲时钟所依赖的信号，导致计时错误。海洋环境的温度和湿度变化很快。这种波动也会影响光学时钟的性能，因为光学时钟依赖于非常精密的电子和光学元件。
光学时钟通常体积较大，需要大量电力才能运行。在空间和电力资源有限的船舶或平台上部署光学时钟时，这是一个挑战。必须减小设备的尺寸和重量，以便在不影响时钟精度的情况下实现部署。
另一个挑战是校准。光学时钟必须定期校准，以确保其长期保持准确。这种校准通常需要与陆地上的参考时钟同步，这在偏远地区（如海洋中部）可能很困难。此外，计时上的小差异会随着时间的推移而累积，影响导航和监控系统的可靠性。
最新研究发现
光学时钟曾经被认为过于笨重和脆弱，不适合在具有挑战性的环境中实际使用。但2024 年，JD Roslund 及其团队发表了一项研究，在克服其中许多挑战方面取得了重大飞跃。这项研究提高了光学时钟在现实世界移动环境中的能力。研究人员成功开发出紧凑型光学时钟，它可以承受海上恶劣条件而不会影响性能。
研究在海上平台上成功部署光学时钟，证明了光学时钟在船上的成功运行，这是长期以来人们追求的目标，因为海上环境和后勤条件非常具有挑战性。光学时钟以测量时间的精确度而闻名，即使在温度变化、振动和湿度等动态海洋环境中也能保持高精度。
在海上部署光学时钟的主要成果之一是提高导航自主性。通过提供高度精确的计时，光学时钟增强了依赖精确计时的系统，例如基于 GPS 的定位。光学时钟提供的增强精度在 GPS 信号较弱或不可靠的地区尤其有价值，即使在偏远或受阻区域也能确保连续准确的导航。
这项研究还证实了光学时钟作为地球物理监测远程时间标准的潜力。在海上建立高精度时间同步的能力为测量地震活动和海洋变化等现象开辟了新的机会。这可以显著提高涉及地球运动和自然事件的研究的准确性。
研究表明，海上光学时钟的开发和应用可以为导航和科学探索的进一步发展铺平道路。研究人员认为，光学时钟的便携性和可靠性的提高将促进其在海事、科学和商业应用中的广泛应用，特别是在自主船舶和遥感领域。
光学时钟在海上的应用
1、改进导航和定位
光学时钟在航海领域最直接的好处之一是其对导航的影响。在自主航运中，以无与伦比的精度测量时间的能力增强了GPS和惯性导航系统 (INS)。这对于在繁忙或偏远水域航行的船只至关重要，因为它可以实现更准确的定位和避免碰撞。
- 自主导航：光学时钟使船舶能够更好地同步其内部时间，从而改善航位推算（根据先前确定的位置估计位置）。
- 全球定位：即使在 GPS 信号较弱或不可用时（例如在极地或厚重覆盖物下），光学时钟也可以通过改善其他传感器使用的计时信号来提高位置估计的准确性。
2、地球物理监测与遥感
光学时钟在地球物理监测方面也有重要应用。时间测量可用于追踪地震波的行为或改进地震预测模型。光学时钟的计时精度意味着它们可以以以前不可能达到的精度水平测量地震事件。
- 地震监测：利用光学时钟，研究人员可以测量地震或水下爆炸产生的地震波的到达时间。这些测量结果可用于改进地球结构模型并预测地震事件的影响。
- 海啸探测：光学时钟与压力传感器相结合，有助于改善海啸探测和预警系统。精确的时间测量可以更快地处理数据，从而做出更准确的预测。
3、气候监测和海洋学研究
光学时钟的另一个令人兴奋的应用是在气候监测领域。光学时钟可以与海洋传感器结合使用，以跟踪洋流、测量盐度和监测温度波动。通过提供高精度的时间信号，这些时钟可以同步大型网络中的海洋传感器，从而改善实时数据的收集和分析。
思考
如何进一步减少环境条件（例如运动引起的振动、湿度、温度波动）对光学时钟精度的影响？可以开发哪些新材料或技术，使光学钟在海洋环境中更加稳定，同时又不牺牲其性能？
如何在无需频繁重新校准的情况下长期保持光学时钟的准确性和稳定性？可以开发哪些新方法来确保在远程海洋环境中进行自主校准？
参考文献：Jonathan D. Roslund, Arman Cingöz, William D. Lunden, Guthrie B. Partridge, Abijith S. Kowligy, Frank Roller, Daniel B. Sheredy, Gunnar E. Skulason, Joe P. Song, Jamil R. Abo-Shaeer & Martin M. Boyd，Optical clocks at sea. Nature volume 628, pages736–740 (2024)，doi.s41586-024-07225-2