中国科大实现百公里自由空间高精度时间频率传递

中国科学技术大学团队与其他科研单位合作，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。相关论文于10月5日23点在线发表于国际著名学术期刊《自然》杂志。

整个宇宙年龄的时间尺度上，误差还不到1秒

通过月相变幻，我们定义了“一月”；单摆摆动、弹簧振动等也有周期性，利用这些机械运动的周期，人们制造出机械钟表来测量时间。原则上，任何周期性现象都可以作为时间标准。

然而，地球的自转公转周期也存在不均匀，单摆的摆动避免不了摩擦等因素的影响，这些因素都影响了时间测量的精确性。能否找到一个更稳定、更精确的周期现象，提升人类对时间的测量精度呢？

据课题组介绍，世界由微小的原子组成，每一个原子都可以看成是一个结构稳定的量子系统，在原子核的束缚之下，核外电子在特定的能级轨道上不断演化、运动。

原子具有不同的能级，电子在两个能级间发生跃迁时，会产生或吸收电磁波。两个能级的能量差决定了电磁波的频率。原子的能级结构很稳定，相应地，电磁波频率也是稳定的。而所谓频率，就是单位时间内的振动次数，知道了频率，也就得到了时间。通常时间和频率统称为时频。原子的性质给予了人类测量时间的一个新途径。

除了稳定，另一个重要的事情是，原子的共振频率很高，例如铯133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁频率是9192631770赫兹，也就是说，1秒钟振动超过90亿次。振动频率越高，计时就会越精确，这就像测量长度的尺子，刻度越密，测量精度就越高。

于是，原子钟诞生了。利用原子的共振，可以制造出频率高且稳定的振荡器，进而去实现极高的时间测量精度。

正因为原子钟的优异性能，在第13届国际度量衡会议上，秒被重新定义了。秒由铯原子钟来定义，从此，时间基准所依据的不再是天体规律，而是量子世界中原子的行为。铯原子钟可以做到一亿年只有1秒的误差。

铯原子钟的频率在微波波段，现在科学家们又开发了锶、镱等新型原子钟，它们的频率要更高，在光学波段，因此被称作“光学原子钟”，简称“光钟”。光钟的测量精度现在已经可以做到千亿亿分之一（10-19），在整个宇宙年龄的时间尺度上，误差还不到1秒。

建立全球性光钟网络，亟须高精度的自由空间时频传递技术

据课题组介绍，精准的时间需要被传播出去。我们的电脑中有一个内置的计时钟表，而为了校正不断积累产生的计时误差，每隔一段时间，通过网络连接，它会和标准“北京时间”进行比对和同步。而北京时间基于的是国家授时中心的原子钟时间。

因此，我们不仅要有最精确的原子钟，还要有与之精度相匹配的时间传递技术。准确、稳定的时间基准和高精度的时频传递，两者同样重要。

目前常用的时频传递方式有微波和光纤。利用光纤，已经能实现精度很高的时间传递，可以满足最精确光钟的要求，但光纤有其局限性，例如一些偏远地区还没有铺设光纤，也无法满足海上导航和定位的需要；另外，要实现全球性的时频传递网络，也需要在自由空间传输的技术，例如微波传输技术。微波的频率要比可见光频率低很多，就像一把刻度疏松的尺子，在根本上限制了微波时间传递的精度。利用微波，无法满足光钟时间精度的传递需要。

光给予精度10-19的时间标准，要实现精度10-19的时间传递，同样得求助于光。在这个世界上，有不同的光源，比如太阳光是遍布各种频率的连续光，常见的激光是单一频率的光源，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，其光谱具有很奇特的性质：含有一系列不同的频率信号，而且这些频率是离散、等间距的。这些光学频率信号就像一个个梳齿，因此这种激光得名“光梳”。在时间上，光梳相邻脉冲的间隔比普通脉冲激光也具有更高的精度。

光梳的出现让人们可以更加精确、也更为容易的去测量频率和时间间隔。因其重要性，对光梳技术做出开创性贡献的约翰·霍尔（John Hall）和特奥多尔·亨施（Theodor Hänsch）获得了2005年诺贝尔物理学奖。光梳技术现在已经广泛应用于光钟、激光雷达、天文观测等领域。

随着技术的发展，光钟很有可能成为下一代时间频率标准。而全球性光钟网络的建立，亟须高精度的自由空间时频传递技术，光梳在其中发挥着关键作用。

中国科大技术攻关，将传输距离从10公里延长到百公里

最近，中国科学技术大学团队基于光梳技术成功实现了自由空间中相距113公里的时频传递，精度达到10-19水平，满足了目前最高精度光钟的需求。

据课题组介绍，地面附近自由空间的环境远比光纤中要复杂、要嘈杂，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。

中国科大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，最终基于双飞秒光梳和线性光学采样，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10-19量级稳定度的时频传递。

这一突破不仅带来地面上远距离时频传递的应用，还为未来基于中高轨卫星的高精度星地时频传递奠定了基础。

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。”

光钟以及光频传递技术的发展有望重新定义“秒”

据课题组介绍，在科学领域，时间的测量精度已经步入10-19量级。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。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、暗物质模型等基础物理进行实验检验。测量结果的微小不同，带来的可能是时空观念的转变。

时间的精确测量也可以让人类的生活更便利。例如，卫星的导航精度与计时精度紧密相关，人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。

光钟以及光频传递技术的发展，有望让人们重新定义“秒”。现在秒的定义在1967年被确定，是由铯原子钟来定义的。经过几十年的发展，时间测量与比对的精确程度已经比原有定义优异两个以上数量级，因此国际计量组织计划2026年讨论“秒”定义的变更。因此，新的“秒”定义将给整个科学领域甚至社会的方方面面带来改变。