光子時(shí)鐘芯片問世，產(chǎn)業(yè)落地"光"芒初綻

　　清晨，當(dāng)你用手機(jī)查看導(dǎo)航時(shí)，GPS信號(hào)因時(shí)鐘偏差出現(xiàn)幾米的定位誤差；自動(dòng)駕駛汽車因毫米波雷達(dá)的時(shí)頻不同步，在暴雨中誤判障礙物距離；遙感衛(wèi)星因時(shí)間基準(zhǔn)產(chǎn)生的測(cè)量偏差，錯(cuò)過監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的最佳時(shí)機(jī)……這些場(chǎng)景都與電子時(shí)鐘的精度與速度接近觸及物理極限相關(guān)。

　　近日，北京大學(xué)常林教授團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院空天信息研究院聯(lián)合研發(fā)的全球首款光子時(shí)鐘芯片，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間調(diào)控速度的百倍躍升。這項(xiàng)突破將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差從米級(jí)壓縮至毫米級(jí)，可應(yīng)用在6G通信、空天遙感、超算等領(lǐng)域，為未來超高速計(jì)算提供有力支撐。

　　從“電子滴答”到“光子交響”

　　傳統(tǒng)電子時(shí)鐘依賴石英晶體振蕩器，其頻率上限有限。想要獲取更高頻率信號(hào)，必須通過多級(jí)倍頻電路“接力”，但每級(jí)轉(zhuǎn)換都會(huì)引起噪聲和功耗損失。面對(duì)難題，常林團(tuán)隊(duì)選擇將實(shí)驗(yàn)室里龐大的光學(xué)頻率梳系統(tǒng)壓縮到一枚芯片上。

　　“不同于傳統(tǒng)方案，我們開發(fā)的光子芯片技術(shù)‘以光為媒’，通過光子產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。就速度而言，光比電快很多，因此用光子時(shí)鐘來處理信息，速度比電子時(shí)鐘快得多。”常林對(duì)中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)記者表示，光學(xué)頻率梳就像一把標(biāo)尺，能將激光器發(fā)出的光波分割成無數(shù)等間距的“梳齒”，每個(gè)“齒尖”對(duì)應(yīng)一個(gè)精準(zhǔn)頻率。團(tuán)隊(duì)在芯片上構(gòu)建了微米級(jí)的光學(xué)環(huán)形諧振腔。當(dāng)激光在其中循環(huán)時(shí)，非線性效應(yīng)將單一頻率的光擴(kuò)展為覆蓋數(shù)百吉赫（GHz）的“光子梳”，直接輸出超高精度時(shí)鐘信號(hào)。這一突破讓芯片面積縮減至傳統(tǒng)設(shè)備的千分之一，功耗大幅降低。

　　將宏觀光學(xué)系統(tǒng)微縮到芯片上，如同在頭發(fā)絲上雕刻一座精密時(shí)鐘，團(tuán)隊(duì)面臨諸多難題。對(duì)此，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了深度學(xué)習(xí)輔助的光子調(diào)控模型，通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)解析光波導(dǎo)中的熱光效應(yīng)、應(yīng)力分布等參數(shù)，系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)調(diào)整激光功率與諧振腔溫度，將群速度波動(dòng)控制在0.01%以內(nèi)，使時(shí)鐘抖動(dòng)從皮秒級(jí)壓縮至飛秒級(jí)。

　　“通過這種方案，我們可以基于光來進(jìn)行芯片上的信息傳輸與處理，從而極大提升傳統(tǒng)芯片的性能?！背Ａ謭F(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，他們可以只用一個(gè)芯片就能覆蓋目前所有微波頻段的時(shí)鐘。這也意味著，這一芯片可以支持從2G到6G，甚至更高速度的手機(jī)通信，從而避免了過去每升級(jí)一次通信方案，就需要更新一次手機(jī)硬件的問題。

　　技術(shù)突破的背后，是一張嚴(yán)密的專利網(wǎng)絡(luò)。圍繞“光替電”的全鏈條，常林團(tuán)隊(duì)目前已布局了多件專利。

　　從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)端

　　在某公司6G實(shí)驗(yàn)室中，搭載光子時(shí)鐘芯片的測(cè)試設(shè)備正悄然運(yùn)轉(zhuǎn)。傳統(tǒng)基站升級(jí)到新通信標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，必須更換時(shí)鐘模塊硬件，而光子芯片可通過軟件重新配置輸出任意頻段信號(hào)，讓設(shè)備“終身服役”。

　　在中國科學(xué)院空天信息研究院里，搭載光子時(shí)鐘的“虛擬衛(wèi)星”正以毫米級(jí)間距編隊(duì)飛行?！皞鹘y(tǒng)衛(wèi)星依賴地面站校準(zhǔn)時(shí)間，同步誤差達(dá)毫秒級(jí)，導(dǎo)致立體成像分辨率不足?！毕嚓P(guān)負(fù)責(zé)人表示，“星載光子時(shí)鐘可將同步精度提升至微秒級(jí)，讓衛(wèi)星群自主協(xié)同。”這一突破使遙感衛(wèi)星的觀測(cè)效能提升10倍：森林碳匯測(cè)算誤差從30%降至5%，甚至能從太空實(shí)時(shí)追蹤人流與車輛的軌跡。

　　在某超算中心的試驗(yàn)平臺(tái)上，搭載光子時(shí)鐘芯片的服務(wù)器集群正在運(yùn)行大語言模型訓(xùn)練。傳統(tǒng)圖形處理器（GPU）受限于電子時(shí)鐘的 GHz級(jí)頻率，計(jì)算單元的協(xié)同效率存在天花板，而光子時(shí)鐘提供的太赫茲（THz）級(jí)信號(hào)，能讓數(shù)萬塊計(jì)算芯片實(shí)現(xiàn)飛秒級(jí)同步，徹底釋放并行計(jì)算潛力，從而極大提升萬億規(guī)模大模型的處理速度。

　　光子時(shí)鐘芯片有著廣泛的應(yīng)用前景。在智能計(jì)算領(lǐng)域，它將大幅提升計(jì)算速度和效率，推動(dòng)人工智能算法的重大突破。在6G通信領(lǐng)域，它能讓通信網(wǎng)絡(luò)更快更穩(wěn)定，滿足未來萬物互聯(lián)的需求。在航天領(lǐng)域，高精度的時(shí)間同步至關(guān)重要，光子時(shí)鐘芯片能提升衛(wèi)星通信和遙感數(shù)據(jù)處理能力，助力我們探索更廣闊的宇宙。甚至在我們的手機(jī)上，它也能提高網(wǎng)絡(luò)速度和性能，改善用戶體驗(yàn)，讓人們的生活更便捷。

　　“我們自主研發(fā)的光子時(shí)鐘芯片將率先應(yīng)用于無線通信和車載毫米波雷達(dá)等領(lǐng)域，有望改變以往每一代無線技術(shù)升級(jí)都需要更換手機(jī)和基站硬件設(shè)備的局面?！背Ａ直硎?，其進(jìn)一步的應(yīng)用將拓展至 AI智能計(jì)算領(lǐng)域，目前 GPU、CPU（中央處理器）的主頻通常在 GHz量級(jí)，而光子時(shí)鐘芯片可提供高出數(shù)十倍甚至上百倍的時(shí)鐘頻率，為未來超高速計(jì)算提供有力支撐。

　　為使這一技術(shù)更好地融入產(chǎn)業(yè)生態(tài)，常林團(tuán)隊(duì)與多家行業(yè)伙伴展開合作。目前，該芯片基于實(shí)際需求進(jìn)行了持續(xù)優(yōu)化與技術(shù)迭代，顯著加速了技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

　　從6G基站到深空衛(wèi)星，從超算中心到智能汽車，一場(chǎng)由光子時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的“時(shí)間革命”已悄然啟幕。在這條賽道上，中國不僅跑出了加速度，更用專利與創(chuàng)新構(gòu)筑了牢固的“護(hù)城河”。(記者 葉云彤)

　　轉(zhuǎn)自：中國知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)

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