现代生活中有如此多的东西依赖GPS，以至于有人估计，一旦发生故障，全球经济每天将损失超10亿美元——这样的解释并不太牵强：在最近的俄乌战争中，俄罗斯正在乌克兰干扰 GPS 卫星信号；在伊朗，美国隐形无人机被黑客通过欺骗其GPS坐标捕获；以及被太阳耀斑破坏。
自1993年GPS建立星座提供全球定位、导航和授时信息以来，俄罗斯、中国和欧洲纷纷效仿。不过，就其核心而言，GPS是一个计时系统；量子技术正引领着这项技术的革命。
为了理解计时与导航的关系，以及量子技术将如何使我们克服GPS的局限性，我们需要回到几百年前——Dava Sobel的书《经度(Longitud)》讲述了John Harrison的机械钟彻底改变了海上导航和全球贸易的故事。正如Harrison的时钟加速了18和19世纪的经济增长一样，光学时钟也正从根本上改变运输、金融服务、通信和能源等不同行业。从根本上说，建造一个精确的时钟需要找到一个快速跳动且具有高度规律性和稳定性的东西。Harrison的H4时钟完成于1759年，是一个机械装置，每秒跳动五次，在一个月的时间内将时间误差保持在一秒之内。今天，我们正处于商业光学时钟的边缘：它每秒“滴答”超过100万亿次，并在整个宇宙时代内精确到一秒之内。这一令人震惊的时间精度的提高，可以说是人类历史上最重大的技术飞跃。时间决定了我们日常生活中的事件。我的下一次会议是什么时候？我还有多少分钟才能赶上飞机？比赛什么时候开始？我们用小时、分钟和秒来衡量事件的时间。如果是NBA的抢断球，也许我们会精确到十分之一秒。目前，我们所依赖的许多技术都利用更精确的时间测量。例如，我们认为GPS是理所当然的。只要在手机上拉出一个应用程序，用户就能知道你在地球上任何地方的位置：甚至精确到几米之内。GPS本质上是一个计时系统：每颗GPS卫星上都有四个原子钟，传送一个综合时间信号。GPS接收器（如我们手机上的接收器）利用来自多颗卫星的时间信号的微小差异（结合他们的本地时间参考）来三角定位你的位置。国际上对“秒” 的定义是基于铯-133原子的基态量子转变的频率：即每秒超过90亿次“滴答”。第一个铯钟建于1955年，从那时起，这个频率一直是全球计时的标准。
一些快速的数学运算说明了这个“滴答”率是如何决定GPS的定位精度的。GPS的无线电信号以光速传播，光速在十亿分之一秒内可传播约30厘米。因此，在一个铯钟“滴答”的时间里，光大约走了3厘米；尽管实际情况更加微妙，但这给出了GPS的最大定位精度。此时，高精度、可部署的量子时钟将使一个可靠和稳定的时间来源成为可能，独立于GPS，即使在GPS不可用（例如在太空、海底或山中）、被阻挡或有争议的情况下，也能实现精确导航。
目前，量子时钟是世界上最精确的计时工具，为天文、导航、太空导航提供了有力保障。
量子时钟的主要工作原理。有许多不同类型的原子钟，但它们通常具有相同的基本工作原理：包括一个发射振动台、一个波计数探测器和一个原子控制单元，用于在不同步时调节振荡器。激光的频率远高于微波的频率，最大的区别是微波振荡器被超稳定的激光器所取代。激光振荡频率太快，无法电读取，因此需要光学频率梳。来源：ICV TAnk
随着5G网络的建设以及人工智能和信息社会的进步，传输的大数据对各种智能移动终端的时间同步提出了更高的要求。为了实现这一目标，我们需要一个比铯更快的计时源。
其中的光学时钟利用锶或铷原子，其频率每秒“滴答” 超过100万亿次——比铯快10000多倍。这些原子可以在激光的晶格中被冷却到接近绝对零度，减少噪音并提高计时稳定性。时钟和时频同步关系到国防安全、社会生活、科学研究的方方面面，甚至其他一些量子精密测量应用都需要依赖原子钟，因此，时钟领域的研究始终是各国的重中之重。在信息时代的现代化战争中，精确打击重于大规模杀伤，而实现精确打击的基本手段，就是高精度、高准确的时间频率系统，其核心就是原子钟。
英国1714年的《经度法案(Longitude Act)》意识到准确的计时对其海事领导地位的未来的重要性，因此，提供了价值超过200万美元的奖金，以促进准确和稳定的航海钟的发展。
今天，各国政府也同样在资助开发可用于解决现实世界应用的可部署的光学钟。这些时钟的用途远远超过了导航。2023年，世界将创造、存储和访问超过100泽字节（Zettabyte，一个Zettabyte是1000万亿GB）的数据，其中大部分存储在大型的、全球分布的数据库。每一个数据库交易都必须有时间标记(time-stamping)，以确保数据不会失去同步性。例如，如果一个金融交易的两个副本存储在不同大洲的独立数据库中，每天有大量的交易，如果没有准确的时间标记，就不可能调和一个真实的来源。现代数据中心容纳了原子钟，以提供本地的时间来源；它与GPS计时相互整合，以确保准确的时间同步。数据库时间标记的分辨率在很大程度上是时钟频率的函数：时钟越快，在给定的时间间隔内就可以发生更多的交易；随着世界数据需求的加速，可以实现更高的应用量和更有效的数据中心扩展。
全球对量子时钟的需求主要由军事部门推动，航空航天是主要的下游应用。近年来，随着移动通信的发展，海洋领域规模扩大，民用领域市场份额也迅速提高、市场规模迅速增加。
量子时钟的市场份额和行业分析 来源：ICV TAnk不过，根据ICV的预测，未来量子时钟市场将在私营部门快速增长：民用场景主要分为46%的基础研究、时频 44%、其他领域为10%。关于未来趋势，对光学和分子钟的进一步研究将增加基础研究的市场。然而，民用5G和信息社会的基础设施将使民用领域的时频市场增长更快。未来，量子时钟很可能催生更多的应用，比如通过不同高度的小时差来判断高度。
目前，商业化的产品主要是各类微波原子钟（铷钟、氢钟、铯钟）、微波芯片级原子钟，以及时频同步类产品（协议）。正在商业化的有光钟和芯片级分子钟，例如，瑞士Oscilloquartz公司的光学铯原子钟解决方案已于2022年4月在日本TOYO Corporation部署。总的来说，未来量子时钟的民用场景相比相对稳定的军事应用会相对增加，军工市场也可能有新的应用——量子时钟市场潜力巨大。现在，自《经度法案》催化了时钟的发展并彻底改变了全球经济以来，300多年已经过去了。不可否认的是，我们正站在光钟商业化的风口浪尖上，时间是各行各业发展的基石、是度量现代科学进程最重要的基础保障；时间的高精准表达，让我们从微观的原子震荡跃迁规律中，得以探索宏观奥秘的解决之道。[1]A Quantum Leap In Timing (forbes.com)[2]ICV:Quantum Clock Market Research Report-International Cutting-edge-tech Vision (icvtank.com)[3]2023全球量子精密测量产业发展展望 (qq.com)
[4]https://mp.weixin.qq.com/s/yHX070edn5ottB-itSsh6w每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！