高穩原子鐘（ACES）項目研究人員開發的芯片級原子鐘已取得了初步成功，其性能提高了1000倍。
當前，通信、導航、金融交易、分佈式雲和國防等許多應用都依賴於原子鐘的精確授時，這種基於原子振盪來跟蹤時間的時鐘器件，具有最高的精確度。利用原子能量實現精確授時需要大量複雜而龐大的技術，這些技術的開發成本高且需消耗大量能源。5G網絡和GPS替代品等新應用技術將需要在便攜式平臺上進行精確授時，從而推動對高性能、微型化原子鐘的需求。
據麥姆斯諮詢報道，在過去的幾十年中，美國國防高級研究計劃局（DARPA）在原子鐘技術的進步和微型化方面投入了大量資金，研製出了芯片級原子鐘（CSAC），這些原型鍾現已上市，具有體積小、重量輕、低功耗（SWaP）等特點，並提供前所未有的授時穩定性。然而，由於物理特性與設計相關，第一代CSAC的性能從根本上受到了限制：校準要求和頻率漂移會產生授時誤差，因此難以在便攜式封裝中達到最高程度的準確性和可靠性。DARPA的“高穩原子鐘”（ACES）項目正在探索下一代電池供電型CSAC的開發，與現有原型相比，關鍵性能參數提高了1000倍。
DARPA微系統技術辦公室（MTO）負責ACES的項目經理John Burke博士表示：“將原子鐘從大型銫束管縮小到芯片級器件，且性能不受影響，需要重新考慮許多關鍵部件，包括真空泵和光隔離器，以及集成元件的新方法。我們為ACES項目制定的目標指標很高，但當我們進入項目的第三階段時，研究人員已經實現了工程上的成功，包括減少SWaP、實驗室驗證的原子鐘技術，以及未來時鐘架構的早期原型。”
來自美國國家標準與技術研究院（NIST）、霍尼韋爾公司、美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL）的三組研究人員，通過對替代物理結構和新型元件技術的探索，在CSAC早期研發階段取得不錯的進展，在溫度控制、老化和回掃等方面將性能參數提高了1000倍。
美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員，最近在Optica發表了一篇論文，在文中重點介紹了其團隊在加州理工學院、斯坦福大學和Charles Stark Draper實驗室的研究人員的支持下取得的最新進展。該團隊展示了一個實驗性的光學原子鐘，它只由三個小芯片構成，可支持電子器件和光學器件。不同於工作在微波頻率下跟蹤銫原子振盪的標準原子鐘，光學原子鐘可運行在更高的頻率下並提供更高的精度，因為它們可將時間分成更小的單位。NIST團隊研發的時鐘使用激光跟蹤銣原子振盪，這些銣原子被限制在一個由微型玻璃容器構成的蒸汽室中，玻璃容器直徑3毫米，位於硅片頂部。在時鐘芯片的“心臟”內，兩個頻率梳就像齒輪一樣將銣原子的高頻光學“滴答”轉換成較低的微波頻率，即在大多數授時（PNT）應用中跟蹤時間的頻率大小。除了提供更高的準確度（大約比當前基於銫的CSAC高50倍），實驗時鐘的功耗更低，僅275毫瓦。
除了成功展示芯片級光學時鐘外，NIST團隊還實現了所有關鍵元件的微加工，大量採用與製造計算機芯片相同的製造技術。這使得進一步集成電子器件和光學器件，同時為大規模生產和商業化創造潛在的途徑。
第二組研究團隊來自霍尼韋爾公司，他們正與加州大學聖巴巴拉分校合作，開發精密原子傳感器，以支持微型原子鐘的開發。
到目前為止，捕獲原子傳感器的小型化一直受到大型光學元件的阻礙，例如透鏡和反射鏡，這些是構成傳統光學系統的必要元件。霍尼韋爾團隊開發的精密原子傳感器依賴於磁光阱（MOT），它需要來自不同方向的三維激光束排列，精確地在一點上交叉。為了在不使用透鏡或鏡子的情況下實現這種精確配置，研究人員開發了一種集成光子芯片，用於引導“光學電路”周圍的光，類似於傳統計算機芯片中電信號的引導。光子芯片以適當的三維排列發射三個大的準直光束以形成MOT。通過將這些相交的激光束與一組專用的緊湊型磁場線圈相結合，霍尼韋爾利用這種光源捕獲銣原子，並實現了先進的微型原子鐘。
霍尼韋爾的集成光子芯片技術不僅減小了激光傳輸系統的尺寸、重量和功率，而且還允許批量製造複雜的光學系統，同時降低了製造成本。
最後一組研究團隊來自美國宇航局噴氣推進實驗室（JPL），他們得到了SRI國際公司、加州大學戴維斯分校和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員的支持，他們展示了一種能夠滿足ACES目標指標的實驗性原子鐘，並證明其不受溫度和環境問題的影響。在創建深空原子鐘（DSAC）的研究基礎上，該團隊開發了一種基於離子的原子冷卻方法，該方法依靠電離汞和紫外燈代替激光器。JPL原子鐘顯示，對於溫度發生1攝氏度的變化，其誤差小於小數點後14位。以該精度而言，性能要比當前的CSAC將近高100倍。汞離子的使用也提供了更高的穩定性，同時使該技術對磁場和溫度變化的敏感性降低。
Burke指出：“正如NIST和霍尼韋爾研究所驗證的那樣，ACES項目的進展帶來了製造晶圓級原子鐘技術的新方法，這使得持續的技術探索更具成本效益，並且更少依賴於大規模的工程設計。對於我們當前正在處理的複雜光學系統，無論何時想要迭代設計時，都需要大量的工程設計。ACES項目的這些早期進展表明，在沒有大量工程人力或與當前方法相關的鉅額成本的情況下，在開發過程中也存在可行的選擇。”
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