中國科大實現百公里自由空間高精度時間頻率傳遞
中國科學技術大學潘建偉團隊與其他科研單位合作，首次在國際上實現百公里級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗，時間傳遞穩定度達到飛秒量級，頻率傳遞萬秒穩定度優於4E-19。相關論文於10月5日23點在線發表於國際著名學術期刊《自然》雜誌。
整個宇宙年齡的時間尺度上，誤差還不到1秒
通過月相變幻，我們定義了“一月”；單擺擺動、彈簧振動等也有周期性，利用這些機械運動的週期，人們製造出機械鐘錶來測量時間。原則上，任何週期性現象都可以作為時間標準。
然而，地球的自轉公轉週期也存在不均勻，單擺的擺動避免不了摩擦等因素的影響，這些因素都影響了時間測量的精確性。能否找到一個更穩定、更精確的週期現象，提升人類對時間的測量精度呢？
據課題組介紹，世界由微小的原子組成，每一個原子都可以看成是一個結構穩定的量子系統，在原子核的束縛之下，核外電子在特定的能級軌道上不斷演化、運動。
原子具有不同的能級，電子在兩個能級間發生躍遷時，會產生或吸收電磁波。兩個能級的能量差決定了電磁波的頻率。原子的能級結構很穩定，相應地，電磁波頻率也是穩定的。而所謂頻率，就是單位時間內的振動次數，知道了頻率，也就得到了時間。通常時間和頻率統稱為時頻。原子的性質給予了人類測量時間的一個新途徑。
除了穩定，另一個重要的事情是，原子的共振頻率很高，例如銫133原子基態的兩個超精細能級之間的躍遷頻率是9192631770赫茲，也就是説，1秒鐘振動超過90億次。振動頻率越高，計時就會越精確，這就像測量長度的尺子，刻度越密，測量精度就越高。
於是，原子鐘誕生了。利用原子的共振，可以製造出頻率高且穩定的振盪器，進而去實現極高的時間測量精度。
正因為原子鐘的優異性能，在第13屆國際度量衡會議上，秒被重新定義了。秒由銫原子鐘來定義，從此，時間基準所依據的不再是天體規律，而是量子世界中原子的行為。銫原子鐘可以做到一億年只有1秒的誤差。
銫原子鐘的頻率在微波波段，現在科學家們又開發了鍶、鐿等新型原子鐘，它們的頻率要更高，在光學波段，因此被稱作“光學原子鐘”，簡稱“光鍾”。光鐘的測量精度現在已經可以做到千億億分之一（10-19），在整個宇宙年齡的時間尺度上，誤差還不到1秒。
建立全球性光鍾網絡，亟須高精度的自由空間時頻傳遞技術
據課題組介紹，精準的時間需要被傳播出去。我們的電腦中有一個內置的計時鐘表，而為了校正不斷積累產生的計時誤差，每隔一段時間，通過網絡連接，它會和標準“北京時間”進行比對和同步。而北京時間基於的是國家授時中心的原子鐘時間。
因此，我們不僅要有最精確的原子鐘，還要有與之精度相匹配的時間傳遞技術。準確、穩定的時間基準和高精度的時頻傳遞，兩者同樣重要。
目前常用的時頻傳遞方式有微波和光纖。利用光纖，已經能實現精度很高的時間傳遞，可以滿足最精確光鐘的要求，但光纖有其侷限性，例如一些偏遠地區還沒有鋪設光纖，也無法滿足海上導航和定位的需要；另外，要實現全球性的時頻傳遞網絡，也需要在自由空間傳輸的技術，例如微波傳輸技術。微波的頻率要比可見光頻率低很多，就像一把刻度疏鬆的尺子，在根本上限制了微波時間傳遞的精度。利用微波，無法滿足光鍾時間精度的傳遞需要。
光給予精度10-19的時間標準，要實現精度10-19的時間傳遞，同樣得求助於光。在這個世界上，有不同的光源，比如太陽光是遍佈各種頻率的連續光，常見的激光是單一頻率的光源，還有另一種神奇的激光——光學頻率梳，即光梳。
光梳是一種超短脈衝激光，其光譜具有很奇特的性質：含有一系列不同的頻率信號，而且這些頻率是離散、等間距的。這些光學頻率信號就像一個個梳齒，因此這種激光得名“光梳”。在時間上，光梳相鄰脈衝的間隔比普通脈衝激光也具有更高的精度。
光梳的出現讓人們可以更加精確、也更為容易的去測量頻率和時間間隔。因其重要性，對光梳技術做出開創性貢獻的約翰·霍爾（John Hall）和特奧多爾·亨施（Theodor Hänsch）獲得了2005年諾貝爾物理學獎。光梳技術現在已經廣泛應用於光鍾、激光雷達、天文觀測等領域。
隨着技術的發展，光鍾很有可能成為下一代時間頻率標準。而全球性光鍾網絡的建立，亟須高精度的自由空間時頻傳遞技術，光梳在其中發揮着關鍵作用。
中國科大技術攻關，將傳輸距離從10公里延長到百公里
最近，中國科學技術大學團隊基於光梳技術成功實現了自由空間中相距113公里的時頻傳遞，精度達到10-19水平，滿足了目前最高精度光鐘的需求。
據課題組介紹，地面附近自由空間的環境遠比光纖中要複雜、要嘈雜，大氣中的各種擾動和湍流、鏈路損耗、環境變化等因素給自由空間中的長距離時頻傳遞帶來了極大困難。之前，自由空間中的光頻傳輸技術只能實現10公里量級的傳輸距離。
中國科大團隊向這一難題發起挑戰——在光源方面，研製出高功率高穩定度光梳，在光信號收發信道方面，研製出高穩定性且高效率的光收發望遠鏡系統，另外採用線性光學採樣的干涉測量方式實現高精度的時間測量。經過一系列技術攻關，最終基於雙飛秒光梳和線性光學採樣，在相隔113公里的新疆南山天文台和高崖子天文台之間實現了萬秒10-19量級穩定度的時頻傳遞。
這一突破不僅帶來地面上遠距離時頻傳遞的應用，還為未來基於中高軌衞星的高精度星地時頻傳遞奠定了基礎。
審稿人高度評價該工作：“該工作是星地自由空間遠距離光學時間頻率傳遞領域的一項重大突破，將對暗物質探測、物理學基本常數檢驗、相對論檢驗等基礎物理學研究產生重要影響。”
光鍾以及光頻傳遞技術的發展有望重新定義“秒”
據課題組介紹，在科學領域，時間的測量精度已經步入10-19量級。作為七大基本物理量之一的時間，是目前測量最精確的物理量。時間的精確測量和傳遞，將使人們能夠對相對論原理、各種引力理論、暗物質模型等基礎物理進行實驗檢驗。測量結果的微小不同，帶來的可能是時空觀念的轉變。
時間的精確測量也可以讓人類的生活更便利。例如，衞星的導航精度與計時精度緊密相關，人們的生活早已離不開導航和定位，要想定位更準確，比如精確到米以下，就需要更好的計時精度。在大地測量、地質勘探、雷達探測等涉及社會民生的領域，精確的時間也都將發揮重要作用。
光鍾以及光頻傳遞技術的發展，有望讓人們重新定義“秒”。現在秒的定義在1967年被確定，是由銫原子鐘來定義的。經過幾十年的發展，時間測量與比對的精確程度已經比原有定義優異兩個以上數量級，因此國際計量組織計劃2026年討論“秒”定義的變更。因此，新的“秒”定義將給整個科學領域甚至社會的方方面面帶來改變。
新京報記者 張璐
編輯 唐崢 校對 吳興發