Ceasul atomic este etalonul măsurării timpului, însă acesta este extrem de util şi pentru dispozitivele GPS.

Aparatele GPS comunică cu 4 dintre cei 24 de sateliţi care orbitează în jurul Pământului pentru a oferi o poziţie exactă. Având în vedere distanţa mare dintre dispozitiv şi sateliţi o eroare de o milisecundă se traduce prin devierea de la traseu cu câteva sute de kilometri. Astfel, tehnologia GPS necesită sincronizări de timp extrem de precise pentru a localiza cu erori de câţiva metri poziţia unei unităţi GPS (de obicei prin calcularea timpului parcurs de un semnal radio de la un satelit la un punct de pe suprafaţa Pământului). Fiecare satelit are inclus un model compact de ceas atomic care funcţionează cu rubidiu, având o precizie de o secundă la 1 milion de ani.

Primul ceas atomic a fost construit în 1949, în Statele Unite ale Americii, la Biroul Naţional de Standarde, dar nu a atins performanţe deosebite. A urmat Caesium I, proiectat de către Louis Essen şi construit în Laboratorul Naţional de Fizică din Teddington, Anglia, în 1955. Cu toate că nu era prima maşină care folosea proprietăţile atomilor pentru a măsura timpul, era prima care atingea performanţe superioare ceasurilor cu cuarţ sau cu pendul.

Partea componentă a unui ceas atomic responsabilă cu măsurarea timpului este, oricât de surprinzător ar părea, un oscilator cu cristal de cuarţ. În cazul majorităţii ceasurilor cu cuarţ, oscilatorul este reglat corespunzător la momentul fabricaţiei, dar frecvenţa sa de oscilaţie nu mai este verificată ulterior. În timp, frecvenţa variază uşor, dar neuniform, influenţând în mod negativ precizia ceasului.

Scopul complicatului mecanism al ceasurilor atomice este de a verifica continuu frecvenţa de oscilaţie a oscilatorului de cuarţ, ceea ce conferă o precizie uluitoare aparatului.