2026年10月7日——奥克兰大学的研究可能帮助全球将用于原子钟和量子计算等超精密测量的激光工具小型化。这具有重大的科学和商业意义。

迄今为止，被称为光学频率梳的激光工具因其尺寸和成本而一直被困在实验室中。光学频率梳是测量光的频率——或颜色——的标准工具。它们有时被称为“光尺”或“彩虹尺”。

但奥克兰大学与美国科学家的研究为将该技术缩小至芯片尺寸、用于未来导航系统、通信网络、精密传感器和便携式原子钟指明了一条新路径。该研究发表于著名期刊《自然》。

这一突破是2021年启动的一项工作的成果。当时，Miro Erkintalo教授——奥克兰大学物理系主任、Dodd-Walls Centre for Photonic and Quantum Technologies研究员——开始探索一种生成芯片级频率梳的潜在新方法。

在他的学生帮助下，他预测，将两束激光输入芯片级环形结构，可以生成一种新型频率梳。

这一预测在2024年成为现实：奥克兰研究人员与来自马里兰大学和美国国家科学与技术研究院的Grégory Moille和Kartik Srinivasan合作，在实验室中成功演示了这一想法。

尽管2024年的演示是一项开创性的物理学概念验证，但突破性应用仍未实现。

如今，两年后，该团队迈出了下一步。他们发现，这种新型频率梳可以由相隔一个八度的两束激光生成。（八度一词借自音乐，指频率翻倍。）

由此产生的微型化频率梳立即开启了一系列应用。

为展示该平台，研究人员使用基于芯片的系统完成了与频率梳相关的三项核心任务：生成精确的光频率、产生低噪声毫米波信号，以及集成光学时钟读出。

“这项工作是数年工作的成果，涉及一次极佳的国际合作，将新西兰研究人员世界领先的知识与创新，与美国同样世界领先的人士汇聚在一起，”Erkintalo说。“它还表明，具有商业意义的新技术应用，是如何从最初由好奇心驱动的研究中产生的。”

最初实验室规模的光学频率梳由John Hall和Theodor Hänsch在20世纪90年代末开创，他们获得了2005年诺贝尔物理学奖。

正如学校用的尺子有均匀间隔的黑线来测量距离，光学频率梳产生数百万条间隔完美、精确的光颜色（频率），从而以极高精度测量时间、距离和化学信号。

光学频率梳促成了世界上最精确的时钟——光学原子钟——的诞生，而许多其他应用还包括基础物理学实验。

微型版本可以为将实验室级精度引入日常技术奠定基础。

便携式光学原子钟可以帮助绘制矿床的地下变化，并使不依赖GPS卫星信号的导航系统成为可能。

“尽管我们多年来一直致力于芯片集成光学频率梳，但它们的控制和稳定——这对许多应用至关重要——往往既复杂又困难，”马里兰大学的Moille说。“借助这种新方法，我们终于看到了一条可行路径，可将其用于可部署的原子计时，这是其要求最高、最重要的应用之一。”

Erkintalo及其合作者构想的这一进展颠覆了光学频率梳的设计。

在传统实验室系统和现有微型化架构中，来自单个激光器的光会级联并向外扩展，以覆盖宽光谱。

相比之下，新设计从两束激光开始，它们被放置在光谱的两端，彼此相距很远。随后，系统自动填充这两个边界之间的所有光频率，克服了阻碍现有架构性能的挑战。

未来用途可能包括电信中的同步，以及能够检测其环境中极小变化的传感器。

Erkintalo及其合作者在《自然》论文中写道，降低光学频率梳的尺寸、重量、功耗和成本，可以促成大规模生产，并推动该技术从实验室走向消费者。

Erkintalo、Moille和Srinivasan已基于这项工作的某些方面提交了一项临时专利申请。