暗物质--我们宇宙中 80% 以上的物质都是由这种神秘的、看不见的物质构成的--的过程中，科学家和工程师们正在转向一种新的超灵敏工具：光学原子钟。这些时钟通过使用超稳定激光来监测原子的共振频率来测量时间，现在已经足够精确，如果它们运行到宇宙的年龄，它们的损耗将小于一秒。这种稳定性还使这些设备能够充当极其灵敏的量子传感器，可以部署到太空中寻找暗物质。

科学家们正在利用光学原子钟这种超灵敏量子传感器寻找暗物质。(艺术家概念图）。

挑战：操作这种超精密时钟所需的设备--包括激光器、电子设备和冷却器--可以摆满一张大桌子，甚至一个房间。这将使将它们发射到太空变得非常昂贵，甚至不可能。

费米实验室研究人员孙鸿志和帕梅拉-克拉伯斯在试验台上测试芯片。图片来源：Ryan Postel，费米实验室

参与美国能源部和国防部联合项目的科学家旨在将这些元件微型化到鞋盒大小。经过两年多的努力，来自能源部费米国家加速器实验室和麻省理工学院林肯实验室的研究人员已经报告了初步的可喜成果。

费米实验室的研究人员设计并开发了控制装置内电压所需的紧凑型电子设备，而麻省理工学院林肯实验室的研究人员正在开发制造时钟所需的微小离子阱和相应的光子学。费米实验室团队设计的芯片目前正在麻省理工学院实验室进行测试。实验室微电子部主任法拉-法希姆（Farah Fahim）说："这是迈向高精度、小尺寸原子钟的第一步。"

麻省理工学院实验室的光学原子钟使用离子阱作为传感器--在本例中，锶离子被电场束缚。激光作为时钟的振荡器，测量离子在两个量化能级之间转换的振荡频率。

这种结构紧凑的原子钟非常适合部署到太空中寻找超轻暗物质，理论上暗物质会引起电子质量的振荡。如果几个原子钟穿过太空中的一团暗物质，暗物质就会增加或减少每个原子钟测量到的光子能量，从而改变它的"滴答"声。当暗物质经过时，这些时钟会失去同步，之后又会重新同步。

研究人员用 GPS 卫星进行了这些实验，每颗卫星都包含多个基于不同技术的原子钟。但他们在这些实验中没有发现暗物质的证据。研究人员认为，也许可以用更灵敏的时钟来探测暗物质。

芯片的图形效果图。资料来源：费米实验室萨曼莎-科赫

在美国国防部的资助下，麻省理工学院实验室的研究人员将困离子原子钟微型化，将激光传输和探测全部集成到一个芯片上。但要完成这个系统，麻省理工学院 LL 研究人员需要的不仅仅是微型化的原子和光子元件。他们需要帮助设计一个微型电子控制系统。这就是费米实验室介入的原因；能源部的高能物理 QuantISED 计划为电子开发和集成提供了资金。

法希姆说："我们拥有 30 多年为对撞机物理学开发紧凑型电子设备的经验，我们已经开发出了适用于极端环境的芯片。这与控制原子并读出其状态所需的电子器件并无二致。"

麻省理工学院 LL 的参谋科学家罗伯特-麦康奈尔（Robert McConnell）说："这是一个真正利用了不同政府实验室独特能力的项目，"他领导了该项目的光子离子阱芯片开发工作。

难点在于如何制造一种小型芯片，既能控制系统所需的高电压（至少 20 伏），又能保持高速度和低功耗。费米实验室团队与一家半导体制造商合作，最近制造出了一种能控制高达9伏电压的芯片。"该项目的首席芯片设计师孙鸿志说："它的电压噪声也很低，因此不会扰乱离子的量子态。"

准备测试： 芯片的定制测试板与测试设备连接。芯片用导线粘接在测试板上，并由方形白色塑料盖保护。图片来源：Ryan Postel，费米实验室

麻省理工学院 LL 研究人员现在希望通过一种技术将芯片与离子阱集成在一起，这种技术允许他们将两个芯片堆叠在一起，并通过通孔（即层间电连接）将它们连接起来。随后，费米实验室的研究人员将继续完善电子设计，将电压提高到 20 伏。我们的目标是制造出一个紧凑型原子钟，其频率不确定性为 10-18。

麦康奈尔说："这次合作让我们获得了两个世界的好处。通过让费米实验室设计电路并将其与我们的离子阱集成，我们可以制造出可控性良好的量子传感器。"

这些时钟的用途可以超出高能物理研究，包括太空防御，甚至可以作为极其灵敏的传感器来预测海啸或地震。这些离子阱还可以成为未来量子计算机的基础。

法希姆说："国防部和能源部在应用目标上存在巨大差异，但在基础技术开发方面却有着同样引人注目的协同效应；我们只需要找到合作的方法。"