記者4月9日從中國(guó)科大獲悉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉及其同事張強(qiáng)、彭承志、姜海峰等實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離大損耗自由空間高精度時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)，在大氣噪聲、鏈路損耗、傳輸延遲效應(yīng)等多角度仿真了高軌衛(wèi)星星地高精度時(shí)頻傳遞，驗(yàn)證了基于中高軌衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)萬(wàn)秒E-18量級(jí)穩(wěn)定度的星地時(shí)頻傳遞的可行性，為未來(lái)空間光頻標(biāo)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和洲際光鐘頻率傳遞和比對(duì)奠定了基礎(chǔ)。該成果于2021年4月6日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)知名期刊《Optica》上[Optica,8(4),471-476 (2021)]。
高精度的時(shí)間/頻率傳遞和比對(duì)技術(shù)廣泛應(yīng)用于所有大尺度精密測(cè)量系統(tǒng)，在計(jì)量科學(xué)、相對(duì)論檢驗(yàn)、引力波探測(cè)、廣域量子通信、深空導(dǎo)航定位等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)際計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系正處于量子化階段，由于具有最高準(zhǔn)確度，頻率標(biāo)準(zhǔn)在精密測(cè)量和國(guó)際計(jì)量體系中居于核心地位，目前除物質(zhì)的量(mol)外其他基本物理量均直接或間接地溯源到頻率標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，新型光頻標(biāo)技術(shù)的快速發(fā)展，導(dǎo)致了其精準(zhǔn)程度已經(jīng)比原有“秒”定義頻標(biāo)好兩個(gè)數(shù)量級(jí);國(guó)際計(jì)量組織計(jì)劃2026年討論“秒”定義變更，技術(shù)路線圖的重要一環(huán)就是洲際E-18量級(jí)光頻標(biāo)的時(shí)間頻率比對(duì)。超長(zhǎng)距離高精度時(shí)間頻率傳遞和比對(duì)是目前國(guó)際計(jì)量和精密測(cè)量急需解決的難題，星地傳遞方式被認(rèn)為是解決該問(wèn)題的最可行方案。
在該項(xiàng)工作中，研究團(tuán)隊(duì)選用雙光梳線性光學(xué)采樣的時(shí)間測(cè)量技術(shù)路線，相對(duì)于多頻微波、單光子等測(cè)量方法，該路線兼具高測(cè)量分辨率和斷光續(xù)傳可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)方式較為復(fù)雜。首先，研究團(tuán)隊(duì)全面分析了星地鏈路損耗、多普勒效應(yīng)、鏈路時(shí)間非對(duì)稱、大氣引入噪聲等因素，得出高軌衛(wèi)星鏈路具有更長(zhǎng)的過(guò)境和共視時(shí)間、更低的多普勒效應(yīng)，更有利于實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定的星地時(shí)頻比對(duì)和傳遞鏈路的結(jié)論�；�，研究團(tuán)隊(duì)從大氣噪聲、鏈路損耗和延遲時(shí)間方面設(shè)計(jì)了高軌星地時(shí)頻傳遞鏈路模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)低噪聲光梳放大、低損耗高穩(wěn)定雙光梳干涉光路和高精度高靈敏度線性采樣等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)在上海市區(qū)成功搭建了16公里水平大氣自由空間高精度的雙光梳時(shí)頻傳遞鏈路，在72dB平均鏈路損耗和模擬長(zhǎng)達(dá)1s鏈路傳輸延遲下，成功實(shí)現(xiàn)了4E-18@3000s穩(wěn)定度的時(shí)頻傳遞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于高軌星地鏈路實(shí)現(xiàn)萬(wàn)秒E-18量級(jí)穩(wěn)定度的時(shí)頻傳遞具有可行性。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)副研究員沈奇和特任副研究員管建宇是本論文的共同第一作者。該工作得到科技部、基金委、中科院、安徽省和上海市等部門(mén)的資助和支持。
圖1：不同軌道星地高精度時(shí)頻傳遞示意圖
圖2：16公里時(shí)頻傳遞地面實(shí)驗(yàn)裝置圖：A.實(shí)驗(yàn)選址和實(shí)物圖，B.實(shí)驗(yàn)原理圖，C.線性光學(xué)采樣光路圖
