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国际首次!我国实现百公里自由空间时频传递,会带来哪些重要影响?

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据新华社5日消息,记者从中国科学院获悉,我国科研团队在国际上首次实现了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(千万亿分之一秒)量级,频率传递万秒稳定度优于4E-19(相当于时钟约一千亿年的误差不超过一秒),可满足目前最高精度光钟的时间传递要求。

该研究由中国科学技术大学潘建伟院士团队与多家合作单位共同完成,相关成果10月5日在国际学术期刊《自然》在线发表。近年来,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),可在精密导航定位、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。

“精确的计时不应局限于高冷的实验室,还要‘飞入寻常百姓家’。通过高精度的时间频率传递,构建广域光频标网络,是光钟在上述诸多领域发挥作用的前提。”文章第一作者、中国科学技术大学副研究员沈奇说,要有与光钟精度相匹配的时间传递技术,把精准的时间传播出去。

据介绍,自由空间高精度时间频率传递是建立全球性广域光频标网络的重要内容,但此前国际上的相关研究成果信噪比低、传输距离近,难以满足星地链路高精度时频传递的需求。


百公里高精度时频传递实验示意图。(研究团队供图)

此项研究中,研究团队实现了瓦级功率输出的高稳定光频梳,实现了纳瓦量级的高灵敏度线性光学采样探测,进一步提升了光传输望远镜的稳定性和接收效率。基于上述技术突破,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,充分验证了星地链路高精度光频标比对的可行性。

多位《自然》杂志审稿人表示,该研究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。

据央视新闻6日报道,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。


图片来源:央视新闻视频截图

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。


图片来源:央视新闻视频截图

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。


图片来源:央视新闻视频截图

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。”

每日经济新闻综合央视新闻、新华社

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