国际首次实现！中国科大发布重要研究成果

记者从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟及其同事张强、姜海峰、彭承志等与上海技物所、新疆天文台、中科院国家授时中心、济南量子技术研究院和宁波大学等单位合作，通过发展大功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术，首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19。实验结果有效验证了星地链路高精度光频标比对的可行性，向建立广域光频标网络迈出重要一步。该成果于2022年10月5日在线发表于国际著名学术期刊《自然》杂志。

近年来，基于超冷原子光晶格的光波段原子钟（光钟）的稳定度已进入E-19量级，将形成新一代的时间频率标准（光频标），结合广域、高精度的时间频率传递可以构建广域时频网络，将在精密导航定位、全球授时、广域量子通信、物理学基本原理检验等领域发挥重要作用。例如，当全球尺度时频传递的稳定度达到E-18量级时，就可形成新一代的“秒”定义，2026年国际计量大会将讨论这种“秒”的重新定义。进一步，高轨空间具有更低的引力场噪声环境，光频标和时频传递的稳定度理论上能够进入E-21量级，有望在引力波探测、暗物质搜寻等物理学基本问题的研究方面产生重大应用。然而，传统的基于微波的卫星时频传递稳定度仅有E-16量级，不能满足高精度时频网络的需求。基于光频梳和相干探测的自由空间时频传递技术，稳定度可以达到E-19量级，是高精度时频传递的发展趋势，但此前国际上的相关工作信噪比低、传输距离近，难以满足星地链路高精度时频传递的需求。

在本工作中，研究团队发展了全保偏光纤飞秒激光技术，实现了瓦级功率输出的高稳定光频梳；基于低噪声平衡探测和集成干涉光纤光路模块，结合高精度相位提取后处理算法，实现了纳瓦量级的高灵敏度线性光学采样探测，单次时间测量精度优于100飞秒；进一步提升了光传输望远镜的稳定性和接收效率。在上述技术突破的基础上，研究团队在新疆乌鲁木齐成功实现了113公里自由空间时频传递，时间传递万秒稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19，系统相对偏差为6.3E-20±3.4E-19，系统可容忍最大链路损耗高达89dB，远高于中高轨星地链路损耗的典型预期值（约78dB），充分验证了星地链路高精度光频标比对的可行性。

审稿人高度评价该工作：“该工作是星地自由空间远距离光学时间频率传递领域的一项重大突破，将对暗物质探测、物理学基本常数检验、相对论检验等基础物理学研究产生重要影响。”

延伸阅读

在科学领域，时间的测量精度已经步入10的负19次方量级，也就是百亿年，误差不到1秒。作为七大基本物理量之一的时间，是目前测量最精确的物理量。有最精确的计时，还要有与之精度相匹配的时间传递技术，两者同样重要。

地面附近自由空间的环境复杂，大气中的各种扰动和湍流、链路损耗、环境变化等等因素给自由空间中的长距离时频传递带来了极大困难。之前，自由空间中的光频传输技术只能实现10公里量级的传输距离。

中国科学技术大学团队向这一难题发起挑战。在光源方面，研制出高功率高稳定度光梳，在光信号收发信道方面，研制出高稳定性且高效率的光收发望远镜系统，另外采用线性光学采样的干涉测量方式实现高精度的时间测量。经过一系列技术攻关，终于在相隔113公里的新疆南山天文台和高崖子天文台之间实现了万秒10的负19次方量级稳定度的时频传递。

中国科学技术大学教授 张强：把我们非常精密的这种时间信号，通过这个望远镜打到这个100公里以外的另外一个望远镜，那边的话，然后我的这个信号被那边的一个同样的一个望远镜接收，接收了之后他们进行一些比较精密的时间探测，然后同时那边也会打一个同样的一个精密的光源信号也打过来，在这边也做一个同样的一个精密探测，然后两边的信号再做一个对准，做一个校正。

时间的精确测量和传递，将使人们能够对相对论原理、各种引力理论、暗物质模型等等基础物理进行实验检验。

同时这也和我们的生活密切相关，例如，卫星的导航精度与计时精度紧密相关，要想定位更准确，比如精确到毫米以下，就需要更好的计时精度。在大地测量、地质勘探、雷达探测等等涉及社会民生的领域，精确的时间也都将发挥重要作用。

现在“秒”的定义是1967年确定的，经过几十年的发展，国际计量组织计划2026年讨论“秒”定义的变更。

中国科学技术大学教授 张强：那么它也证明了就是说将来放在卫星上，可以基于卫星来做这种洲际的这种（时间）比对。那么如果能够实现洲际的比对的话，那么我们就可以实现新一代的这个“秒”定义。（记者 葛清政）