中国科大实现百公里自由空间高精度时间频率传输

中国科学技术大学潘建伟团队与其他科研单位合作，实现了国际上首次自由空间百公里级高精度时频传递实验。 时间传递稳定性达到飞秒级别，10000秒以上频率传递稳定性优于4E-19。相关论文于10月5日23:00在线发表在国际知名学术期刊《自然》上。

在整个宇宙年龄的时间尺度上，误差小于1秒

通过月相的变化，我们定义了“一月”； 钟摆摆动、弹簧振动等也具有周期性。 利用这些机械运动周期，人们创造了机械钟来测量时间。 原则上，任何周期性现象都可以作为时间标准。

但地球自转和公转周期也是不均匀的，钟摆的摆动无法避免摩擦等因素的影响。 这些因素都会影响时间测量的准确性。 能否找到更稳定、更准确的周期现象来提高人类时间测量的精度？

研究团队表示，世界是由微小的原子组成的，每个原子可以被视为一个具有稳定结构的量子系统。 在原子核的约束下，原子核外的电子不断演化，并在特定的能级轨道上运动。

原子具有不同的能级。 当电子在两个能级之间跃迁时，它们会产生或吸收电磁波。 两个能级之间的能量差决定了电磁波的频率。 原子的能级结构非常稳定，相应地，电磁波的频率也很稳定。 所谓频率就是单位时间内振动的次数。 如果知道频率，就可以获得时间。 通常时间和频率统称为时间频率。 原子的特性为人类提供了一种测量时间的新方法。

除了稳定性之外，还有一个重要的就是原子的共振频率非常高。 例如，铯133原子基态两个超精细能级之间的跃迁频率为赫兹，即1秒内振动超过90亿次。 振动频率越高，计时就越准确，就像尺子测量长度一样。 水垢越密，测量精度越高。

于是，原子钟诞生了。 利用原子的共振，可以产生高频且稳定的振荡器，以达到极高的时间测量精度。

由于原子钟的优异性能，秒在第13届国际计量会议上被重新定义。 第二个由铯原子钟定义。 从此，时间基准不再基于天体定律，而是基于量子世界中原子的行为。 铯原子钟每1亿年的误差仅为1秒。

铯原子钟的频率位于微波频段。 现在科学家们已经开发出了锶和镱等新型原子钟。 它们的频率较高，且处于光波段，因此被称为“光学原子钟”，简称“光钟”。 光钟的测量精度现在可以达到千亿分之一（10-19）。 在整个宇宙年龄的时间尺度上，误差小于1秒。

建立全球光时钟网络，迫切需要高精度自由空间时频传输技术

研究小组表示，需要传播准确的时间。 我们的电脑有一个内置的时钟，为了纠正累积的计时误差，它会每隔一段时间通过网络连接与标准“北京时间”进行比较和同步。 北京时间以国家授时中心原子钟时间为准。

因此，我们不仅要有最精确的原子钟，还要有与其精度相匹配的时间传递技术。 准确稳定的时基和高精度的时频传输同样重要。

目前常用的时频传输方式有微波和光纤。 利用光纤，已经可以实现高精度的时间传输，可以满足最精确的光时钟的要求。 然而，光纤也有其局限性。 例如，一些偏远地区尚未铺设光纤，无法满足海上导航定位的需求。 此外，要实现全球时频传输网络，还需要自由空间传输技术，例如微波传输技术。 微波的频率远低于可见光的频率，就像一把标记松散的尺子，从根本上限制了微波时间传输的准确性。 使用微波无法满足光钟时间精度的传输需求。

Light给出了精确度为10-19的时间标准。 要实现精度为10-19的时间传输，还必须转向光。 在这个世界上，存在着不同的光源。 例如，阳光是各种频率的连续光。 常见的激光器是单一频率的光源。 还有另一种神奇的激光——光学频率梳，即光梳。

光梳是一种超短脉冲激光器，其频谱具有非常奇特的性质：它包含一系列不同频率的信号，并且这些频率是离散的、等间隔的。 这些光频信号就像梳齿一样，因此这种激光器被命名为“光梳”。 在时间上，光梳相邻脉冲之间的间隔也比普通脉冲激光器具有更高的精度。

光梳的出现使人们能够更加准确、方便地测量频率和时间间隔。 由于其重要性，对光梳技术做出开创性贡献的 John Hall 和 Hänsch 获得了 2005 年诺贝尔物理学奖。 光梳技术现已广泛应用于光钟、激光雷达、天文观测等领域。

随着技术的发展，光学时钟很可能成为下一代时间和频率标准。 全球光时钟网络的建立迫切需要高精度的自由空间时频传输技术，其中光梳发挥着关键作用。

中国科学技术大学取得技术突破，将传输距离从10公里延长至100公里。

近日，中国科学技术大学团队基于光梳技术成功实现自由空间相距113公里时频传输，精度达到10-19级，满足当前最高精度的需求光学时钟。

研究小组表示，接近地面的自由空间中的环境比光纤中的环境更加复杂和嘈杂。 大气中的各种扰动和湍流、链路损耗、环境变化等因素给自由空间中的长距离时频传输带来问题。 遇到了很大的困难。 此前，自由空间光频传输技术只能实现10公里的传输距离。

中国科学技术大学团队对这个问题提出了挑战。 在光源方面，他们开发了高功率、高稳定性的光梳。 在光信号收发通道方面，他们开发了高稳定性、高效率的光收发望远镜系统。 他们还使用了线性光学。 采样干涉测量方法实现高精度时间测量。 经过一系列技术攻关，最终基于双飞秒光梳和线性光学采样，在相距113公里的新疆南山天文台和高崖子天文台之间实现了稳定性10-19万秒的时频传输。

这一突破不仅带来了远距离时频传输在地面的应用，也为未来基于中高轨道卫星的高精度星地时频传输奠定了基础。

审稿人对这项工作给予了高度评价：“这项工作是星地间自由空间长距离光学时间和频率传输领域的重大突破，将对暗物质探测等基础物理研究产生重要影响，物理基本常数的测试，以及相对论的测试。” ”。

光钟和光频传输技术的发展有望重新定义“秒”

据研究团队介绍，在科学领域，时间的测量精度已达到10-19级。 时间作为七大基本物理量之一，是目前测量最准确的物理量。 时间的精确测量和传输将使人们能够对相对论原理、各种引力理论、暗物质模型等基础物理进行实验测试。 测量结果的微小差异可能会带来时间和空间概念的变化。

时间的精确测量也可以让人类的生活更加便利。 例如，卫星的导航精度与授时精度密切相关。 人们的生活早已离不开导航定位。 如果想要更精准的定位，比如精确到一米以内，就需要更好的授时精度。 在大地测量、地质勘探、雷达探测等涉及社会民生的领域，准确的时间也将发挥重要作用。

光钟和光频传输技术的发展有望让人们重新定义“秒”。 当前秒的定义于 1967 年制定，由铯原子钟定义。 经过几十年的发展，时间测量和比较的精度已经比原来的定义提高了两个数量级以上。 因此，国际计量组织计划在2026年讨论修改“秒”的定义。因此，“秒”的新定义将为整个科学领域乃至社会各方面带来变化。

新京报记者 张璐

唐正主编、吴兴发校对

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