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最早的原子鐘出現在1960年代中期，它的目標很明確，就是重新定義秒，而這一定義也經受住了時間的考驗。原子鐘通過計算銫原子電子自旋的翻轉頻率來工作，可以非常精確地測量頻率和時間，是目前為止所有物理量中最精確的測量。
原子共振非常精確，甚至可以辨別標準石英時鐘與正確時間之間1015分之一的誤差。如此高的時間分辨率，原子鐘利用了鍶原子的超窄躍遷特性，其性能優于銣原子好幾個數量級。簡單來說，原子躍遷越窄，原子鐘就越準。這也是現今的衛星導航系統(例如GPS)為什么如此有用的一個主要原因。的確，有些人認為，如果沒有原子鐘，人們就無法享受GPS帶來的好處，甚至時而會抓狂。
有人將GNSS衛星看作利用無線電發射時間信號的精確原子鐘。授時數據被轉換為精確的三維位置信息——緯度、經度和高度，以及方向和速度。
自1960年代中葉以來，科學家和工程師們每隔十年就將其精確度提高一個數量級，現在發展更快了。設計人員一直在努力使原子鐘更加精確，更重要的是使它體積更小，重量更輕，但大多都沒有將重點放在衛星導航應用上。例如，設計人員越來越重視能夠測量原子振動的原子鐘，可以提供足夠的精度來檢測諸如暗物質和重力波之類的現象。
麻省理工學院的物理學家最近透露，他們設計出了一種新型的原子鐘，它測量的是被量子糾纏的原子，而不是像現在最好的設計那樣，測量隨機振蕩的原子云，這為人們打開了通往一個全新量子物理學世界的大門。
至于GNSS定位技術，英國已經有多家公司與大學合作，通過提高原子鐘精度及減小外型尺寸使其更加實用。這項工作由位于蘇格蘭格拉斯哥的先進光子和量子領域的專業技術公司Kelvin Nanotechnology牽頭，合作方包括格拉斯哥的另一個專業設計公司WideBlue，以及伯明翰大學和斯特拉斯克萊德大學的研究人員。
WideBlue公司設計的光柵磁光阱(gMOT)和緊湊型準直光學系統，由Kelvin Nanotechnology公司負責制造。斯特拉斯克萊德大學負責設計gMOT芯片，而伯明翰的研究人員則負責測試光學系統原型機。Kelvin Nanotechnology公司項目高級研究員James McGilligan表示，此次合作的重點是減小可擴展微加工組件的光流約束，使原子鐘外型更小，若想原子鐘在現實應用中獲得與實驗室同樣的性能，這一步驟至關重要。
該項目計劃持續大約18個月。McGilliagan告訴筆者，“原子鐘已經非常精確，我們的重點是改進微加工技術和激光冷卻光學器件，從而大大減小下一代便攜式原子鐘的尺寸和重量。”
Kelvin Nanotechnology公司的業務發展經理David Burt說，將原子鐘應用于衛星導航系統時，重量仍然是需要重點考慮的因素。同時，“我們也看到了其他領域的許多商業機會，包括國防、海底石油和礦物勘探。”
斯特拉斯克萊德大學物理系的Paul Griffin(他也是該大學的首席研究員)認為，這一項目“直接讓研究技術從實驗室進入到實用且可擴展的量子設備，這曾經是一大難題。”Griffin說，內部結構復雜的原子(例如鍶和鐿)可用來提高量子測量時間和重力的靈敏度。“過去十年中，我們的斯特拉斯克萊德大學團隊實現了在單電池供電的簡單手持設備中使用激光冷卻堿原子技術。”這一項目還將開發用于激光冷卻和鍶原子控制的新工具。Griffin說：“我們的目標是在五年內將超冷鍶原子的核心硬件做成現成組件，這不僅對于授時是革命性的進步，對量子計算等應用也一樣。”
科羅拉多大學的物理學家在光學時鐘研究中也取得了新進展，他們基于鍶、鐿和鋁原子設計而成的光學時鐘，可以通過激光束連接兩座建筑物之間的設備。其中鍶時鐘位于校園內，另外兩個時鐘位于1.5公里之外的美國國家標準技術研究院Boulder實驗室。圖1所示為用于原子鐘開發的激光系統。三個時鐘之間的誤差小于1018分之一，這一數據足夠精確，因此可以檢測時空連續體和引力波的彎曲。
便攜式原子鐘
與此同時，薩塞克斯大學的研究人員也在開發一種便攜式原子鐘，其目的是希望消除對衛星的完全依賴。未來有一天，這種原子鐘可以集成到手機、無人駕駛汽車或無人機中。
研究人員稱，利用激光束技術，原子鐘關鍵元件(原子鐘擺，一種類似于機械鐘擺、負責計數的組件)的效率得到了提高。薩塞克斯大學新興光子學實驗室首席研究員Alessia Pasquazi表示，當用戶開車穿過衛星信號強度較弱的隧道或市區時，便攜式原子鐘仍然能夠讀取地圖數據。Pasquazi認為，便攜式原子鐘無需衛星信號，而是依靠極為精確的地理映射來獲得位置和規劃路線。她在一次采訪中說：“這一突破性進展將原子鐘擺的效率提高了80％。”
原子鐘的基準組件(相當于傳統時鐘的鐘擺)是基于封閉在腔室中的單個原子的量子特性，即每秒振蕩數萬億次的光束的電磁場而設計的。達到這種速度的時鐘計數元件叫做光學頻率梳，這是一種極其特殊的激光器，可以同時發出多種顏色，而且頻率間隔均勻。
微光梳則利用微型光學微諧振器有效縮小了頻率梳的尺寸，不過Pasquazi指出，微光梳是一種極為脆弱的元件，操作復雜，因此難以滿足原子鐘的實用性需求。薩塞克斯大學的研究人員稱開發中的高效微光梳取得了突破性進展，他們使用了一種稱為“激光腔孤子”的特殊類型的波，孤子非常穩健，可以在很長的距離內不受干擾進行傳輸。薩塞克斯團隊使用限定在芯片微腔中的光脈沖，Pasquazi說：“在這種情形下傳輸的孤子可以充分利用微腔產生多種顏色的能力，同時還使脈沖激光的控制更加穩健、更加實用。”
下一步是將基于芯片的技術轉化為光纖技術，原子鐘最終將與正在開發的“超小型”原子基準組件集成在一起。
研究人員希望與英國航空航天業的合作伙伴一起，在五年內生產出實用的原子鐘，然后再集中精力將這種技術應用到便攜式原子鐘，并最終應用于移動電話等消費類設備中。
但是，消費者應用仍然只是一種理想。“我們可能還需要20年才能實現這個理想，”Pasquazi承認，“我這一部分項目進展相當快，但目前仍缺乏制造芯片的資金。而那些研究地理位置和導航技術的同事則面臨很大的挑戰，他們正在開發一種真正有效的原子基準組件，并計劃將該組件與孤子設備集成在一起。”
地面GNSS
未來不再使用GNSS衛星的目標仍然是一個極大的挑戰，而在芯片級集成所有器件也同樣困難。“我們生產的原型機可能只有一個鞋盒那么大，這已經是所有導航衛星中尺寸和重量最小的新一代原子鐘了。”
無論哪種方式，“我們一定可以改善下一代GNSS系統的性能和安全性，提供更好的時間基準和導航能力，并在需要時作為獨立的備用系統使用。”Pasquazi說。
英國皇家工程學院發布了一系列報告，最新的一份報告強調了對地面GNSS替代方案的需求日益增長。該報告發出警告：“整個社會對衛星無線電導航系統的過度依賴已經到了危險的邊緣。”研究指出，GPS如果發生重大故障，可能會導致許多服務同時中斷，包括許多看似毫不相關服務。報告指出：“對于所有重要的GNSS應用，部署非GNSS備用方案至關重要。”
GNSS應用的漏洞范圍也很廣，從信號干擾到太陽耀斑干擾。該學院建議部署方便大家使用的定位、導航和授時服務作為GNSS服務的后備，將有助于確保國家基礎設施的安全。報告還提到了一種稱為eLORAN的地面無線電導航系統，它也可以作為地面備用系統的一種選擇。