世界首款光子时钟芯片，北大引领新技术革命，6G超算都离不开它

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2025年2月28日，北京大学团队研制的世界首款光子时钟芯片被光明日报、人民日报等权威媒体报道，引起了大家的广泛关注。那么，什么是光子时钟芯片？时钟又是什么？光子时钟芯片具有哪些颠覆性的优势？今天，我们就带大家来了解一下这一芯片领域的前沿进展。

我们日常生活中熟悉的时钟，无论是墙上的挂钟还是手腕上的手表，都是用来记录时间的工具。然而，在计算机和电子设备的世界里，“时钟”有着完全不同的意义。

我们知道，计算机和电子设备中有很多元件，像CPU、内存、I/O 设备等。这些元件需要在统一的时间基准下工作，设备才能正常运行。“时钟”的任务就是确保所有元件按照相同的时间步长执行任务，比如计算机中CPU需要时钟脉冲来控制指令执行的节奏。每条指令通常需要多个时钟周期完成，时钟频率越高，意味着CPU每秒能处理的指令越多，计算机就越快。我们常听到的手机或电脑过热降频，其实说的就是降低 CPU 的时钟频率。

如果把电子设备比作一个交响乐团的话，“时钟”就像是乐团的指挥。没有“时钟”，乐团成员不知道什么时候该演奏哪个章节，就会乱作一团，不成曲调。

在光子时钟出现之前，电子系统主要通过石英晶振时钟“指挥”，但石英晶振时钟有很多不足。比如频率范围有限。石英晶振的频率最高仅数百MHz，难以满足更高频率需求。这个问题虽然可以通过锁相环（PLL）解决，但会引入相位噪声和额外功耗。

石英晶振时钟受温度影响也很大。环境温度变化会影响石英晶体的振荡频率，导致时钟漂移。为了改善这个问题，某些应用会使用温补晶振或恒温晶振，但这会增加成本和功耗。

除此之外，石英晶振时钟还有频率精度有限、容易老化等等缺点。这些缺点不仅影响了设备的性能，也制约了高精度、高带宽信息系统的发展。

光子时钟芯片的出现，可以解决石英晶振时钟的不足。

在北京大学团队研制的这个世界首款光子时钟芯片中，他们利用光频梳技术，将微波信号的频率提升至电子时钟的千倍以上，同时精度更高，让计算机在更高速、更精准的节奏下运行，同时功耗却只有电子时钟的十分之一。

光频梳（optical frequency comb）技术最早由2005年诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔（John Hall）和西奥多·亨施（Theodor Hänsch）等人提出，之后在国际范围内得到迅速发展。它是一种特殊的光源，可以产生一系列光学频率间隔等距、相干性极高的谱线，就像“梳子”一样均匀分布在频谱上，所以叫“光频梳”。我们知道，光频比电子频率高很多，它们就可以被用作超高频的时钟信号，提升计算机和电子设备的计算频率。

过去，光频梳这一技术只能依靠昂贵的设备来实现，一台售价几百万元，且只能依赖进口。要把它用作光子时钟，首先要将它“芯片化”，但这是一个让全世界科学家头疼的难题，也是过去几年间的研究热点。芯片化的主要难点在于：一是微型化，二是稳定性。它们两个是难以兼得的，缩小尺寸就会导致信号漂移，影响稳定性。

为了解决这两方面的挑战，北京大学团队通过在硅基芯片上“雕刻”出环形微谐振器，它的尺寸很小，直径只有几百微米，让光在其中以光速不断“奔跑”，而每跑一圈的时间，就可以作为芯片上时钟的标准，跑不同的圈数就形成不同的光学频率，也就是光频梳。由于光跑一圈的时间非常短，通常是1秒的几十亿分之一，因此光子时钟能以超高速进行时间调控。

此外，由于微谐振器的品质因子（也称作Q值）很高，光在环形腔内循环数十万次都不衰减，因此时钟输出非常稳定。

另外，北京大学团队在这个芯片上引入了自注入锁定（self-injection locking）技术，就像给光“拴上缰绳”一样，它能压制光频梳的噪声，进一步保证了时钟信号的稳定性。

这样一款芯片实现了从MHz到THz级别的频率输出，可直接为计算机和无线通信系统提供精准时钟。不过，目前这项技术并非完美无缺，光子时钟在低频段（如百兆赫兹以下）仍存在细微的噪声，长期稳定性也略逊于顶级电子时钟，还需进一步优化，离大规模商用还有一段路要走。

目前，美国、欧洲、中国等国家在光子时钟芯片领域正展开激烈竞争，呈现“三足鼎立”局势。比如，美国的加州大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）团队擅长高Q值的硅基光子器件，但没有实现系统级应用。瑞士的洛桑联邦理工学院（EPFL）在做光频梳的芯片化，但是集成度比较有限，使用成本很高。北京大学团队则是实现了全集成的光子时钟芯片，并在应用场景上取得先机，它标志着光频梳技术从实验室走向产业化的关键一步。

面向未来应用，光子时钟芯片有可能在无人系统、6G通信和超高频计算等领域产生革命性影响。结合光频梳，遥感系统可实现更高分辨率的目标探测，像自动驾驶、深空探测等。未来的6G需要超高精度时钟来支持太赫兹（THz）通信，光子时钟芯片是一个理想的解决方案，可以支撑每秒TB级空天通信。它也可以直接应用在计算机上，使计算机运行速度进一步提升；同时用在CPU/GPU之间的高精度同步，减少延迟，提高并行计算能力。

未来，随着光子芯片制造工艺的不断进步，光子时钟芯片将逐步进入商用，成为新一代高性能计算和通信系统的关键技术。我们国家在这一领域的快速发展，可能将在全球技术竞争中占据重要地位，为未来信息科技带来颠覆性变革。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：孙仲 北京大学 研究员

审核：陈虔 北京航空航天大学软件学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司