【经济日报】中国科学家实现百公里自由空间高精度时间频率传递

发布时间:2022-10-08

来源:经济日报 沈慧【字号:

  记者从中国科学院获悉:近日,中国科学技术大学潘建伟团队与上海技物所等单位合作,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(相当于时钟在约一千亿年内的误差不超过1秒)。该成果于2022年10月5日23点在线发表于国际学术期刊《自然》杂志。

  “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。”审稿人如是评价。

  通常,我们把时间和频率统称为时频。人们不断在理论和技术上进行探索来提高时间测量精度,是为了什么呢?

  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。

  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。测量结果的微小不同,带给我们的可能是时空观念的转变。

  时间的精确测量也可以让我们的生活更便利。例如,卫星的导航精度与计时精度紧密相关,我们的生活早已离不开导航和定位,要想定位更准确,比如精确到米以下,就需要更好的计时精度。在大地测量、地质勘探、雷达探测等涉及社会民生的领域,精确的时间也都将发挥重要作用。

  据介绍,这项工作中,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。

(责任编辑:侯茜)

关闭页面