美国突破性微芯片问世！或从底层改变一切，带来人类巨大进步！
这可能又是一个不得了的突破，具体有多了不得，我现在还不好说，因为它刚刚才发表在《自然》杂志上，还没有人告诉我们，它到底会带来怎样的改变。但它很可能是革命性的，未来我们所用的很多东西，可能都将因它而变得更好，比如GPS导航、手机电话、互联网连接、无人驾驶、音视频处理、医疗成像、量子通信、量子计算、精密仪器甚至雷达、天文望远镜等等，因为它可以减少“时间抖动”，从最基底的层面来改变我们的一切。是不是不怎么明白？打个比喻就是说，以前我们需要显微镜才能看到微生物的图像，现在带上一副隐形眼镜，你眼睛的分辨率就可以提高十倍、百倍乃至千倍以上，从而可以直接看清细菌病毒，是不是巨大的突破？所有人看世界的方式都有可能改变。这项发明来自美国国家标准技术研究院（NIST），他们和NASA、加州理工，科罗拉多大学博尔德分校，耶鲁大学、加州大学圣巴巴拉分校，弗吉尼亚大学等6家机构和大学合作，开发出了一种新的革命性计时微芯片，可以把光无缝转换为微波，从而显著提高各种依赖高精度计时和通信的设备的精度。首先我们要知道，我们周围的一切，整个世界都建立在时间和空间的基础上，所有的运动都是时间和空间的变化，作为生命的我们，以及我们创建的各种设备，对时间和空间的感知越精细，对运动的控制就越精确。比如你能看清病毒了，是不是就更容易消灭它们了呢？科学家们一直在探索如何更精确和高效地感知时间。此前，他们通过一种叫做频率梳的工具，从稳定光源来生成低噪声微波信号，从而提高设备的计时精度。频率梳，就像它的名字一样，可以产生一系列精确间隔的频率点，就像梳子上整齐排列的梳齿一样。这些频率点可以作为高精度的计时标准，帮助我们的科技设备更加精确地工作。然而，传统的频率梳技术有着很大的局限。它们通常依赖庞大的光学设备，体积可能会达到数十升，不仅增加了成本，也限制了它们在更小、更便携设备中的应用。另外，这些系统的功耗也相对较高，可能会达到千瓦以上，这意味着它们在很多情况下都不太实际，尤其是在那些电源供应有限或者需要长时间运行的环境中。正是在这样的背景下，美国国家标准技术研究院（NIST）利用集成光子技术，采用了一种全新的方法——两点光频率分割，成功地在微芯片上生成了低噪声微波信号。这种方法的核心在于，它使用了非常小的、集成在芯片上的光学元件。这些元件，包括半导体激光器和一个新型的F-P腔，可以被集成到小于1立方厘米的空间内，并且不需要进行高真空封装。这种优化组合不仅大幅降低了半导体激光器的频率噪声，而且通过自注入锁定（SIL）技术，将信号锁定一个到高品质因数（Q值）的氮化硅（Si3N4）螺旋谐振器上，进一步通过PDH锁定技术锁定到一个微型F-P腔，从而实现更进一步的噪声减少。通过这一系列创新技术的应用，NIST的研究人员实现了显著的时间精度和稳定性提升，将时间抖动控制在了15飞秒，也就是千万亿分之15秒内。这个成就标志着前所未有的微波相位噪声水平，可能对高精度计时和通信技术的发展产生深远影响。这样说可能太复杂了，绝大多数人都听不懂，简单来说，就是NIST把原来占据庞大体积的组件，集成到了小于1立方厘米的微芯片里，显著降低了微波信号计时中的微小随机变化——也就是所谓的“时间抖动”。这种时间抖动的减少，意味着能够提供更精确的时间控制，为各种设备带来了前所未有的精确度，正如以前要用显微镜，现在通过隐形眼镜就能让我们的眼睛直接看到细菌一样。这个微芯片我感觉太重要了，很可能是革命性的，就像GPS和其他传感器一样，未来可能会成为很多设备不可或缺的一部分，让整个人类社会在更高的精度范围内运行。想当年，第一个军用GPS模块重达100多公斤，第一个商用模块也有数十公斤，随着集成电路技术的发展，GPS模块也越来越小，现在已经可以和芯片及其他传感器集成在一起了，这种计时微芯片的问世，有可能就是另一个技术飞跃的起点，引发各种新应用的涌现。长期关注我的朋友可能还记得，就在上月底，我介绍过麻省理工王炸级的磁导航MagNav，也和这个有点类似，也是一种革命性的突破，目前也是手提箱大小，我感觉也有可能做成小型化的模块。不过它是用来定位的，这个是用来定时的，应用范围可能要广泛得多。我简单梳理了一下这项技术可能会对未来带来的变化。对全球定位系统（GPS）和导航来说，减少时间抖动可以显著提高GPS信号的准确性，从而改善定位服务的精度，让无人驾驶、航海和航空导航等更加精准。对通信技术来说，在电话和互联网基础设施中大量应用微芯片，可以提高信号的稳定性和准确性，增加数据传输速度和可靠性，减少延迟和丢包问题，各种秒开啊，可以大大提升我们的用户体验和系统效率。对雷达系统来说，可以提升雷达信号的稳定性和准确性，提高雷达的分辨率和检测距离，看到更远、更小的目标。想想看，F-22隐形战机雷达截面只有钢珠大，F-35和高尔夫球差不多，原来雷达根本看不到，现在你能看到一颗钢珠，或高尔夫球以超音速飞行，那不妥妥的就是飞机吗？隐身还有什么用呢？对天文观测来说，就像装上了更高清的镜头，可以提高望远镜阵列捕获的天文图像清晰度和精度，有助于我们更好地研究宇宙结构和大尺度天体的行为。对于模拟数字转换器（ADC）来说，提高信号质量，意味着我们可以得到更高质量的音视频输出，医疗成像变得更清晰，科学研究的数据也更为精确可靠。对量子计算和量子通信来说，精确的时间控制和信号同步，是实现量子位操作和量子纠缠的关键，通过提供极低的时间抖动，可能有助于实现更高效、更稳定的量子通信和计算协议。对精密测量和仪器来说，需要极高精度和稳定性的测量设备，如时间频率标准和光谱分析仪，集成了这种微芯片，就可以提供更稳定和准确的测量结果。所以这项技术的突破，可以让未来的各种设备，在基底层面上就变得更加精确、敏感，我感觉就相当于把游戏《我的世界》中的方块变成细小精致的颗粒，小得来我们的眼睛可能会把它看成是高精度的、细腻的真实画面，并且还更流畅耗能更小。这项研究发表在3月6日《自然》杂志上，当然，这些只是我个人的一些理解和解读，科技的魅力在于它总是能够超越我们的想象。如果你有更深入、更精彩的见解，欢迎在评论区留言讨论。论文：Photonic chip-based low-noise microwave oscillator
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