全球实时：我国实现百公里自由空间时频传递

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据中国科大官网，近日，中国科学技术大学潘建伟团队与上海技物所、新疆天文台等单位合作，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。IT之家了解到，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。

▲百公里高精度时频传递实验示意图