國(guó)際首次！我國(guó)實(shí)現(xiàn)百公里自由空間時(shí)頻傳遞，會(huì)帶來哪些重要影響？

每經(jīng)編輯 畢陸名

據(jù)新華社5日消息，記者從中國(guó)科學(xué)院獲悉，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了百公里級(jí)的自由空間高精度時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)，時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到飛秒（千萬(wàn)億分之一秒）量級(jí)，頻率傳遞萬(wàn)秒穩(wěn)定度優(yōu)于4E-19（相當(dāng)于時(shí)鐘約一千億年的誤差不超過一秒），可滿足目前最高精度光鐘的時(shí)間傳遞要求。

該研究由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)與多家合作單位共同完成，相關(guān)成果10月5日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》在線發(fā)表。近年來，光鐘的穩(wěn)定度已進(jìn)入E-19量級(jí)，將形成新一代的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)（光頻標(biāo)），可在精密導(dǎo)航定位、全球授時(shí)、廣域量子通信、物理學(xué)基本原理檢驗(yàn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

“精確的計(jì)時(shí)不應(yīng)局限于高冷的實(shí)驗(yàn)室，還要‘飛入尋常百姓家’。通過高精度的時(shí)間頻率傳遞，構(gòu)建廣域光頻標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，是光鐘在上述諸多領(lǐng)域發(fā)揮作用的前提。”文章第一作者、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員沈奇說，要有與光鐘精度相匹配的時(shí)間傳遞技術(shù)，把精準(zhǔn)的時(shí)間傳播出去。

據(jù)介紹，自由空間高精度時(shí)間頻率傳遞是建立全球性廣域光頻標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的重要內(nèi)容，但此前國(guó)際上的相關(guān)研究成果信噪比低、傳輸距離近，難以滿足星地鏈路高精度時(shí)頻傳遞的需求。

百公里高精度時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn)示意圖。（研究團(tuán)隊(duì)供圖）

此項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了瓦級(jí)功率輸出的高穩(wěn)定光頻梳，實(shí)現(xiàn)了納瓦量級(jí)的高靈敏度線性光學(xué)采樣探測(cè)，進(jìn)一步提升了光傳輸望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定性和接收效率?；谏鲜黾夹g(shù)突破，研究團(tuán)隊(duì)在新疆烏魯木齊成功實(shí)現(xiàn)了113公里自由空間時(shí)頻傳遞，充分驗(yàn)證了星地鏈路高精度光頻標(biāo)比對(duì)的可行性。

多位《自然》雜志審稿人表示，該研究是星地自由空間遠(yuǎn)距離光學(xué)時(shí)間頻率傳遞領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，將對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)、物理學(xué)基本常數(shù)檢驗(yàn)、相對(duì)論檢驗(yàn)等基礎(chǔ)物理學(xué)研究產(chǎn)生重要影響。

據(jù)央視新聞6日?qǐng)?bào)道，在科學(xué)領(lǐng)域，時(shí)間的測(cè)量精度已經(jīng)步入10的負(fù)19次方量級(jí)，也就是百億年，誤差不到1秒。作為七大基本物理量之一的時(shí)間，是目前測(cè)量最精確的物理量。有最精確的計(jì)時(shí)，還要有與之精度相匹配的時(shí)間傳遞技術(shù)，兩者同樣重要。

圖片來源：央視新聞視頻截圖

地面附近自由空間的環(huán)境復(fù)雜，大氣中的各種擾動(dòng)和湍流、鏈路損耗、環(huán)境變化等等因素給自由空間中的長(zhǎng)距離時(shí)頻傳遞帶來了極大困難。之前，自由空間中的光頻傳輸技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)10公里量級(jí)的傳輸距離。

圖片來源：央視新聞視頻截圖

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)向這一難題發(fā)起挑戰(zhàn)。在光源方面，研制出高功率高穩(wěn)定度光梳，在光信號(hào)收發(fā)信道方面，研制出高穩(wěn)定性且高效率的光收發(fā)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，另外采用線性光學(xué)采樣的干涉測(cè)量方式實(shí)現(xiàn)高精度的時(shí)間測(cè)量。經(jīng)過一系列技術(shù)攻關(guān)，終于在相隔113公里的新疆南山天文臺(tái)和高崖子天文臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)秒10的負(fù)19次方量級(jí)穩(wěn)定度的時(shí)頻傳遞。

圖片來源：央視新聞視頻截圖

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授張強(qiáng)：“把我們非常精密的這種時(shí)間信號(hào)，通過這個(gè)望遠(yuǎn)鏡打到這個(gè)100公里以外的另外一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，那邊的話，然后我的這個(gè)信號(hào)被那邊的一個(gè)同樣的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡接收，接收了之后他們進(jìn)行一些比較精密的時(shí)間探測(cè)，然后同時(shí)那邊也會(huì)打一個(gè)同樣的一個(gè)精密的光源信號(hào)也打過來，在這邊也做一個(gè)同樣的一個(gè)精密探測(cè)，然后兩邊的信號(hào)再做一個(gè)對(duì)準(zhǔn)，做一個(gè)校正。”

時(shí)間的精確測(cè)量和傳遞，將使人們能夠?qū)ο鄬?duì)論原理、各種引力理論、暗物質(zhì)模型等等基礎(chǔ)物理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

同時(shí)這也和我們的生活密切相關(guān)，例如，衛(wèi)星的導(dǎo)航精度與計(jì)時(shí)精度緊密相關(guān)，要想定位更準(zhǔn)確，比如精確到毫米以下，就需要更好的計(jì)時(shí)精度。在大地測(cè)量、地質(zhì)勘探、雷達(dá)探測(cè)等等涉及社會(huì)民生的領(lǐng)域，精確的時(shí)間也都將發(fā)揮重要作用。

現(xiàn)在“秒”的定義是1967年確定的，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國(guó)際計(jì)量組織計(jì)劃2026年討論“秒”定義的變更。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授張強(qiáng)：“那么它也證明了就是說將來放在衛(wèi)星上，可以基于衛(wèi)星來做這種洲際的這種（時(shí)間）比對(duì)。那么如果能夠?qū)崿F(xiàn)洲際的比對(duì)的話，那么我們就可以實(shí)現(xiàn)新一代的這個(gè)“秒”定義。”

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