宇宙中最冷的地方
一家英国公司利用其原子钟中使用的量子技术，实现了零下273.149996摄氏度的低温，有效地创造了宇宙中最冷的地方。这项高科技方案解决了困扰人们多年的难题：如何在没有卫星系统支持的情况下进行精确的海上导航。
Aquark Technologies联合创始人兼首席运营官Alexander Jantzen解释说：“18世纪初，人们早已通过观察地平线上已知遥远恒星的位置来确定航海时的纬度，但经度却是一个危险的谜团。经度问题源于地球自转，我们在海上航行时没有固定的参考点可以参照。”
这个问题在 1735 年得到了解决，当时约翰·哈里森发明了第一台实用的航海钟。
“导航精度的解决方案过去是——现在仍然是——精确计时，”詹岑说道。“哈里森解决了经度问题，证明了使用精密计时器（当时最可靠的计时器）可以实现精确定位。他将已知地点（例如船舶启航地）的时间与船舶所在位置的时间进行比较。通过计算正午时间的差值，船舶就能精确地确定其经度位置。”
到 20 世纪 80 年代，全球导航卫星系统（包括 GPS）中的卫星导航系统使得计时器在实际导航中基本过时，因为当时精确导航所需的时间信号主要来自 GNSS 卫星上的原子钟。
如果 GNSS 中断，原子钟可以提供可靠的备用时间，在 GNSS 恢复之前提供稳定的计时信号，因为它们提供高度精确、可靠和连续的滴答声，不会受到干扰。
“在海上，欺骗检测的准确性取决于时间参考的准确性。驾驶台系统需要一个精确的‘滴答’声作为参考源。一切正常时，船舶驾驶台的位置、导航和授时（PNT）系统的‘滴答’声与原子钟的‘滴答’声相同。但当GNSS接收器受到欺骗时，其授时速度相对于参考‘滴答’声会加快，如果欺骗行为未被检测到，则可能导致定位数据不可靠，并造成危险的导航误差，”詹岑说道。
“当系统检测到原子钟和全球导航卫星系统（GNSS）的计时存在间隙时，即可实现定位、导航和授时（PNT）系统的抗干扰能力。在发生欺骗攻击时，系统可以切换到原子钟的时间信号，并在计时间隙消失后恢复使用GNSS。”
“目前最先进的精密计时系统通过测量原子固有的、稳定的频率特性（由量子力学定义）来校正偏离预期点（通常为10兆赫兹振荡器）的偏差，”詹岑说道。“为了获得最高的精度，必须尽可能长时间地保持原子不受干扰，以消除噪声并平均随机波动。在Aquark，我们通过激光冷却原子至接近绝对零度来实现这一点。”
在Aquark所达到的极端温度下，原子自然量子“滴答”的测量时间可以延长，因为原子的自然运动速度从290米/秒减慢了近10000倍，降至34毫米/秒。时钟频率会持续与原子频率进行比对，并在必要时自动校正，从而减少其长期漂移，而无需像通常那样依赖GNSS提供的授时信号进行校正。
AQlock是英国制造的首款商用原子钟。图片来源：Aquark
2025年6月，Aquark与英国皇家海军合作，在“追击者”号（HMS Pursuer）军舰上部署了AQlock系统，进行了为期三天的海上试验。此次试验是同类试验中的首例，旨在测试AQlock在公海环境下的稳定性。试验期间，这款冷原子钟持续运行，无需全球导航卫星系统（GNSS）校正即可提供精确计时，即使面对军舰持续的纵摇和横摇也毫不逊色。
Aquark公司已在国家海洋研究中心的Autosub远程自主水下航行器上对其AQuest冷原子阱进行了首次水下测试。图片来源：Aquark
Aquark公司还首次在水下动态条件下对其AQuest冷原子阱（AQlock系统的关键组件）进行了测试，测试平台为国家海洋研究中心的Autosub远程自主水下航行器。收集到的数据提供了该系统在不同温度和压力下的性能指标，包括其行为和鲁棒性。
“此次试验的非凡之处在于，以往只有在系统与大多数外部干扰完全隔离的情况下，才能实现激光冷却原子，这本身在陆地上就是一个巨大的工程挑战。因此，看到我们的核心技术——超糖蜜阱——在水下发挥作用，形成超冷原子云，这的确是一项成就。”
2019年，南安普顿大学发现了超糖蜜阱，AQlock公司使用的这种装置将传统的冷原子制备方法简化为更简单的配置，仅需合适的激光几何形状和超高真空（相当于外太空的压力）。它的独特之处在于无需辅助磁场。
詹岑表示，从工程角度来看，这项发现意义重大，因为它能消除大约50%的系统复杂性。它从根本上改变了原子的使用方式，并为该领域开辟了一条替代路径，而这条路径在过去近四十年里一直主导着整个研究领域。
“超糖蜜陷阱使我们能够减小量子传感系统的尺寸、重量、成本和功耗。”
迄今为止，原子钟面临的主要挑战就是体积庞大。精度越高，体积就越大。高性能的传统冷原子系统，例如磁光阱，仍然体积庞大、价格昂贵，而且在实验室环境之外难以实际应用。
Aquark 正逐步实现其目标，即降低全球在运营、基础设施、电信、金融、交通运输等诸多领域对全球导航卫星系统 (GNSS) 的依赖。“冷物质技术是我们工作的核心——而计时只是其众多应用之一。随着未来需求的增长和技术的创新，Aquark 将能够更好地开发冷物质器件，以满足各种潜在应用的需求。这些应用可能包括用于先进导航、水下勘探和环境监测的重力传感器，以及射频和惯性力传感方面的新技术。”
“如今对韧性的需求显而易见，但我们认为这项技术最大的用途在于尚未实现的那些应用。”
“导航精度的解决方案过去是——现在仍然是——精确计时。” 图片来源：Aquark
