[video:【午夜新聞】我國實現(xiàn)百公里自由空間時頻傳遞]
日前，中國科學技術學院潘建偉及其朋友張強、姜海峰、彭承志等與中科院武漢技術化學研究所、中科院山西天文臺、中科院國家授時中心、濟南量子技術研究院和上海學院等單位合作，通過發(fā)展大功率低噪音光梳、高靈敏度高精度線性取樣、高穩(wěn)定高效率光傳輸?shù)燃夹g量子傳輸距離，首次在國際上實現(xiàn)百公里級的自由空間高精度時間頻度傳遞實驗，時間傳遞穩(wěn)定度達到皮秒量級，頻度傳遞萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于4E-19。實驗結(jié)果有效驗證了星地鏈路高精度光頻標比對的可行性，向構建廣域光頻標網(wǎng)路邁出重要一步。該成果于10月5日在線發(fā)表于國際學術刊物《自然》。
近些年來，基于超冷原子光晶格的光波段原子鐘（光鐘）的穩(wěn)定度已步入E-19量級，將產(chǎn)生新一代的時間頻度標準（光頻標），結(jié)合廣域、高精度的時間頻度傳遞可以建立廣域時頻網(wǎng)路，將在精密導航定位、全球授時、廣域量子通訊、物理學基本原理檢驗等領域發(fā)揮重要作用。比如，當全球尺度時頻傳遞的穩(wěn)定度達到E-18量級時，就可產(chǎn)生新一代的“秒”定義，2026年國際計量會議將討論這些“秒”的重新定義。進一步，高軌空間具有更低的引力場噪音環(huán)境，光頻標和時頻傳遞的穩(wěn)定度理論上才能步入E-21量級，有望在引力波偵測、暗物質(zhì)搜救等數(shù)學學基本問題的研究方面形成重大應用。但是，傳統(tǒng)的基于微波的衛(wèi)星時頻傳遞穩(wěn)定度僅有E-16量級，不能滿足高精度時頻網(wǎng)路的需求。基于光頻梳和相干偵測的自由空間時頻傳遞技術，穩(wěn)定度可以達到E-19量級，是高精度時頻傳遞的發(fā)展趨勢，但此前國際上的相關工作頻域低、傳輸距離近，無法滿足星地鏈路高精度時頻傳遞的需求。
在本工作中，研究團隊發(fā)展了全保偏光纖皮秒激光技術，實現(xiàn)了瓦級功率輸出的高穩(wěn)定光頻梳；基于低噪音平衡偵測和集成干涉光纖光路模塊，結(jié)合高精度相位提取后處理算法，實現(xiàn)了納瓦量級的高靈敏度線性光學取樣偵測，單次時間檢測精度優(yōu)于100皮秒；進一步提高了光傳輸望遠鏡的穩(wěn)定性和接收效率。在上述技術突破的基礎上量子傳輸距離，研究團隊在內(nèi)蒙呼和浩特成功實現(xiàn)了113公里自由空間時頻傳遞，時間傳遞萬秒穩(wěn)定度達到皮秒量級，頻度傳遞萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于4E-19，系統(tǒng)相對誤差為6.3E-20±3.4E-19，系統(tǒng)可容忍最大鏈路耗損高達89dB，遠低于中高軌星地鏈路耗損的典型預期值（約78dB），充分驗證了星地鏈路高精度光頻標比對的可行性。
審稿人高度評價該工作：“該工作是星地自由空間遠距離光學時間頻度傳遞領域的一項重大突破，將對暗物質(zhì)偵測、物理學基本常數(shù)檢驗、相對論檢驗等基礎數(shù)學學研究形成重要影響。”
中國科學技術學院副研究員沈奇、管建宇和研究員任繼剛是本論文的共同第一作者。該工作得到中科院、科技部、國家自然科學基金委、安徽省、上海市和江蘇省等的捐助和支持。
論文鏈接
百公里高精度時頻傳遞實驗示意圖