Aby ograniczyć wpływ zakłóceń zewnętrznych, atomy zwykle chłodzi się laserowo i utrzymuje w pułapkach. W praktyce rozwija się dwa główne typy konstrukcji: zegary sieci optycznej z dużą liczbą obojętnych atomów oraz zegary jonowe, w których wykorzystuje się pojedynczy jon lub niewielką ich liczbę w pułapce jonowej. Częstotliwość lasera pełniącego rolę lokalnego oscylatora jest stabilizowana względem przejścia zegarowego w pętli sprzężenia zwrotnego, a końcowa dokładność wymaga kontroli przesunięć systematycznych wywoływanych między innymi przez pola elektryczne i magnetyczne, promieniowanie cieplne otoczenia, ruch atomów oraz warunki panujące w pułapce. W niektórych zegarach jonowych stan jonu odczytuje się przez , polegającą na sprzężeniu jonu zegarowego z drugim, łatwiejszym do odczytu jonem pomocniczym.
Typy i osiągi Do najważniejszych typów realizacji należą zegary wykorzystujące atomy strontu i iterbu w sieci optycznej oraz zegary jonowe oparte między innymi na glinie i rtęci. Zegary sieci optycznej wykorzystują bardzo dużą liczbę atomów, co poprawia statystyczną stabilność pomiaru, natomiast zegary jonowe umożliwiają bardzo precyzyjną kontrolę nad pojedynczym obiektem kwantowym.