[video:【午夜新聞】我國實(shí)現(xiàn)百公里自由空間時頻傳遞]
日前，中國科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉及其朋友張強(qiáng)、姜海峰、彭承志等與中科院武漢技術(shù)化學(xué)研究所、中科院山西天文臺、中科院國家授時中心、濟(jì)南量子技術(shù)研究院和上海學(xué)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(shù)量子傳輸距離，首次在國際上實(shí)現(xiàn)百公里級的自由空間高精度時間頻度傳遞實(shí)驗(yàn)，時間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到皮秒量級，頻度傳遞萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于4E-19。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有效驗(yàn)證了星地鏈路高精度光頻標(biāo)比對的可行性，向構(gòu)建廣域光頻標(biāo)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(xué)術(shù)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(biāo)準(zhǔn)（光頻標(biāo)），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(dǎo)航定位、全球授時、廣域量子通訊、物理學(xué)基本原理檢驗(yàn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。比如，當(dāng)全球尺度時頻傳遞的穩(wěn)定度達(dá)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(jìn)一步，高軌空間具有更低的引力場噪音環(huán)境，光頻標(biāo)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(xué)學(xué)基本問題的研究方面形成重大應(yīng)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(shù)，穩(wěn)定度可以達(dá)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(guān)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(tuán)隊(duì)發(fā)展了全保偏光纖皮秒激光技術(shù)，實(shí)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(shí)現(xiàn)了納瓦量級的高靈敏度線性光學(xué)取樣偵測，單次時間檢測精度優(yōu)于100皮秒；進(jìn)一步提高了光傳輸望遠(yuǎn)鏡的穩(wěn)定性和接收效率。在上述技術(shù)突破的基礎(chǔ)上量子傳輸距離，研究團(tuán)隊(duì)在內(nèi)蒙呼和浩特成功實(shí)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(dá)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(dá)89dB，遠(yuǎn)低于中高軌星地鏈路耗損的典型預(yù)期值（約78dB），充分驗(yàn)證了星地鏈路高精度光頻標(biāo)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(yuǎn)距離光學(xué)時間頻度傳遞領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，將對暗物質(zhì)偵測、物理學(xué)基本常數(shù)檢驗(yàn)、相對論檢驗(yàn)等基礎(chǔ)數(shù)學(xué)學(xué)研究形成重要影響。”
中國科學(xué)技術(shù)學(xué)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(xué)基金委、安徽省、上海市和江蘇省等的捐助和支持。
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百公里高精度時頻傳遞實(shí)驗(yàn)示意圖