尺璧寸陰，心如日晷
——記中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心研究員劉濤

李明麗

陽(yáng)光穿過(guò)晷針，在巨石圓盤(pán)上投射出清晰的針影，光與影的交替中，日晷抓住了時(shí)間的形跡，世界從混沌變得清晰可控。

幾千年以后，當(dāng)人類邁入智慧化時(shí)代，十二時(shí)辰早已成為過(guò)去，分秒之爭(zhēng)也無(wú)法完全滿足今日科技的需求。我們需要精準(zhǔn)捕捉千億分之一秒的瞬間，太空飛船與目標(biāo)飛行器才得以嚴(yán)密對(duì)接、海底隧道的沉管可以整齊劃一地平移、5G通信有望搭載著時(shí)間同步的通訊基站覆蓋全球……

這一次，成功捕捉到時(shí)間的，是中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心的研究員劉濤。

說(shuō)授時(shí)：應(yīng)用是我探索科學(xué)的終極目標(biāo)

劉濤攻讀博士時(shí)專注于冷原子物理領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究，在德國(guó)馬普光科學(xué)研究所、丹麥哥本哈根大學(xué)作博士后期間，他逐步深入到光鐘領(lǐng)域的研究。初衷簡(jiǎn)單又赤誠(chéng)，求學(xué)階段探索基礎(chǔ)和前沿研究，工作后則注重科學(xué)與應(yīng)用的結(jié)合，回國(guó)后也能為祖國(guó)的發(fā)展添磚加瓦。就這樣，劉濤與授時(shí)研究結(jié)下了不解之緣。2010年8月回國(guó)后，順理成章地進(jìn)入中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心工作。

時(shí)間在日常生活中無(wú)處不在，但普通百姓往往對(duì)授時(shí)沒(méi)有概念，也不了解高精度時(shí)間的價(jià)值。實(shí)際上，從日晷、沙漏，到機(jī)械鐘、石英鐘，再到今天的原子鐘……時(shí)間精度的飛速提高，體現(xiàn)著人類探索自然、征服自然的強(qiáng)大力量和最高智慧。作為目前最精準(zhǔn)的基本物理量，時(shí)間一直在國(guó)防、通信、證券、航空等領(lǐng)域扮演著重要的角色。許多其他物理量，如長(zhǎng)度、電壓等，都可由時(shí)間導(dǎo)出。飛機(jī)、軍艦、戰(zhàn)車、導(dǎo)彈等都可以通過(guò)計(jì)算信號(hào)從衛(wèi)星到自身所用的時(shí)間來(lái)確定自身位置、校正航向。一位美國(guó)科學(xué)家曾舉例說(shuō)，如果導(dǎo)彈的計(jì)時(shí)誤差是十億分之一秒的話，其擊中目標(biāo)的誤差則是10英尺，相當(dāng)于3米多。

因此，全球科學(xué)界都極為重視時(shí)間頻率的精度。高精度時(shí)間頻率是2018年美國(guó)14項(xiàng)出口管制領(lǐng)域之一——位置導(dǎo)航時(shí)間的核心；我國(guó)新一代授時(shí)系統(tǒng)建設(shè)也已順利立項(xiàng)并即將投入建設(shè)。

為了取得更精準(zhǔn)的時(shí)間，目前世界各國(guó)都采用原子鐘來(lái)產(chǎn)生和保持標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，這就是“時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)”，而通過(guò)電話、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等各種手段將時(shí)間信號(hào)送達(dá)用戶的整套服務(wù)系統(tǒng)，就稱為“授時(shí)系統(tǒng)”。

授時(shí)就是把國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，通過(guò)有線和無(wú)線的技術(shù)手段發(fā)播給用戶。發(fā)播授時(shí)信號(hào)的物理裝置，就是授時(shí)系統(tǒng)。形式有很多種：有線可以通過(guò)電纜、電話線、通信網(wǎng)絡(luò)和專用光纖等傳遞時(shí)間信息;無(wú)線可以通過(guò)短波、長(zhǎng)波、激光，還可以通過(guò)衛(wèi)星等電磁波傳播時(shí)間信息，將來(lái)可能通過(guò)量子技術(shù)實(shí)現(xiàn)更高精度和更安全的時(shí)間傳遞。采用不同的技術(shù)，可以滿足不同用戶在不同環(huán)境下對(duì)于授時(shí)的要求。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心長(zhǎng)期從事時(shí)間頻率領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，具有國(guó)內(nèi)最大的守時(shí)鐘組，運(yùn)行著30多臺(tái)原子鐘，還承擔(dān)著我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間——“北京時(shí)間”的產(chǎn)生、保持和發(fā)播任務(wù)。扎根臨潼，與國(guó)際一流的時(shí)間頻率科研團(tuán)隊(duì)和平臺(tái)相伴，可以看到中國(guó)時(shí)間扎扎實(shí)實(shí)朝前走的“腳印”，劉濤的科學(xué)理想找到了歸屬。

說(shuō)光鐘：自主研發(fā)高精度光學(xué)參考腔，徹底打破國(guó)際壟斷

光鐘是目前計(jì)時(shí)精度最高的原子鐘，利用它對(duì)時(shí)間度量的精度可以達(dá)到10-18量級(jí)，或者說(shuō)，相當(dāng)于一臺(tái)連走160億年也不會(huì)產(chǎn)生1秒誤差的時(shí)鐘。以光鐘為代表的時(shí)間頻率研究飛速發(fā)展，引發(fā)了時(shí)間頻率領(lǐng)域從產(chǎn)生到傳遞的一系列變革，科學(xué)家公認(rèn)光鐘將用來(lái)重新定義下一代時(shí)間頻率基準(zhǔn)。

由于光鐘的穩(wěn)定性受限于窄線寬激光的頻率穩(wěn)定性，劉濤將窄線寬激光器列為了自己主要的研究課題。在光鐘研究中，窄線寬激光器被稱為“本地振蕩器”，用激光探測(cè)裝載在光晶格中的冷原子或被囚禁的單個(gè)冷離子，可獲得線寬超窄且頻率極穩(wěn)定的鐘躍遷譜線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的光鐘。

窄線寬激光器不僅是光鐘的核心，還是衛(wèi)星重力測(cè)量、星間激光干涉測(cè)距以及空間引力波探測(cè)等空間研究的重要工具，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，世界各國(guó)都爭(zhēng)相開(kāi)展太空領(lǐng)域的光鐘研究，以搶占時(shí)間頻率研究的制高點(diǎn)，達(dá)到衛(wèi)星導(dǎo)航、空間探索的新高度。但讓國(guó)人尷尬的是，窄線寬激光器最關(guān)鍵的部件——超穩(wěn)光學(xué)參考腔長(zhǎng)時(shí)間被國(guó)外廠商壟斷。國(guó)內(nèi)一直無(wú)法自主研制核心部件，這讓劉濤意識(shí)到了巨大的隱患：“由于高精度時(shí)間頻率在衛(wèi)星導(dǎo)航、國(guó)防建設(shè)、空間探索這些領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，所以很可能會(huì)受到國(guó)際政治形勢(shì)的波及。如果我們一直依靠從國(guó)外廠商購(gòu)買產(chǎn)品，那將來(lái)國(guó)外一旦實(shí)施技術(shù)禁運(yùn)怎么辦？國(guó)家想要建設(shè)新一代時(shí)間頻率體系，尤其當(dāng)時(shí)咱們中國(guó)空間站科學(xué)應(yīng)用平臺(tái)也急需這種關(guān)鍵技術(shù)，所以必須得抓緊解決這些關(guān)鍵問(wèn)題?！?/p>

在國(guó)家重大科研儀器設(shè)備研制專項(xiàng)和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，劉濤帶領(lǐng)授時(shí)中心的窄線寬激光器研究小組與國(guó)內(nèi)一家企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，全面突破了超低振動(dòng)敏感設(shè)計(jì)、超高反光學(xué)鍍膜、精密光學(xué)冷加工等從設(shè)計(jì)到加工的一系列關(guān)鍵技術(shù)，自主研制出了我國(guó)首個(gè)面向空間應(yīng)用的高精細(xì)度球形光學(xué)參考腔，打破了美國(guó)的技術(shù)壟斷。

測(cè)試表明，劉濤團(tuán)隊(duì)研制的球形光學(xué)參考腔的精細(xì)度約為200000，與國(guó)外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當(dāng)。以此為基礎(chǔ)，劉濤乘勝追擊，進(jìn)一步攻堅(jiān)工程應(yīng)用超穩(wěn)激光系統(tǒng)在極端環(huán)境下大帶寬、低時(shí)延和自主運(yùn)行的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了Hz量級(jí)超穩(wěn)激光自動(dòng)化穩(wěn)頻技術(shù)，滿足了空間超穩(wěn)激光系統(tǒng)和地基授時(shí)系統(tǒng)等實(shí)際應(yīng)用急需，為衛(wèi)星重力測(cè)量、星間激光測(cè)距以及空間引力波探測(cè)提供技術(shù)支撐。

這些突破，基本滿足我國(guó)空間站科學(xué)應(yīng)用的迫切急需，解決了空間站和地基授時(shí)系統(tǒng)中的關(guān)鍵可靠性問(wèn)題。自此，劉濤開(kāi)始擔(dān)任我國(guó)921空間站窄線寬激光器分系統(tǒng)負(fù)責(zé)人，目前正開(kāi)展初樣研制工作。

“在科研過(guò)程中，我們也做了一些光學(xué)參考腔的理論研究?！眲榻B道，“全世界科研人員都很關(guān)注熱噪聲，因?yàn)榧す馄鞯念l率穩(wěn)定度受限于熱噪聲極限。但這個(gè)極限理論的模型還不是很完備，我們?cè)谘芯恐袛U(kuò)展了理論模型，對(duì)熱噪聲進(jìn)行了更全面的解釋，并對(duì)影響其極限的因素進(jìn)行了細(xì)致的分析?！币舱沁@些獨(dú)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，讓同行專家們關(guān)注到了授時(shí)領(lǐng)域的中國(guó)聲音。

說(shuō)光纖：千公里光纖授時(shí)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平

完成了超穩(wěn)光學(xué)參考腔的自主研發(fā)，精密時(shí)間頻率信號(hào)的產(chǎn)生有了保證，但要讓光鐘產(chǎn)生的高精度時(shí)間能夠服務(wù)于全國(guó)各地的用戶，還得建立相應(yīng)的時(shí)間頻率傳遞體系。

目前，在通信、交通、金融等行業(yè)廣泛應(yīng)用的是衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)，比如美國(guó)的GPS和我國(guó)的北斗。衛(wèi)星上載有高精度的時(shí)間源，授時(shí)設(shè)備從衛(wèi)星的信號(hào)上獲取標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息，通過(guò)各種類型的接口傳輸給各地需要時(shí)間信息的設(shè)備，完成單個(gè)設(shè)備的時(shí)間校準(zhǔn)或者多個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間同步。

劉濤為我們介紹道：“衛(wèi)星授時(shí)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，覆蓋廣、成本低，但隨著時(shí)代發(fā)展的需要，衛(wèi)星授時(shí)精度的提升也遇到了瓶頸。想要進(jìn)一步提高精度滿足更多的需求，就得研發(fā)新的手段，光纖授時(shí)就是一種精度最高的選擇，目前來(lái)看，比衛(wèi)星傳遞要高大概三四個(gè)量級(jí)，能達(dá)到衛(wèi)星一千倍或一萬(wàn)倍的程度，有很好的應(yīng)用場(chǎng)景。我的研究方向，就是用光纖來(lái)做時(shí)間頻率傳輸?！?/p>

衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)需要從開(kāi)放的空間接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，容易受到來(lái)自地面以及低空的無(wú)線電干擾，無(wú)論這干擾是有意還是無(wú)意，都會(huì)影響授時(shí)精度及可靠性。更可怕的是，有一些黑客或恐怖組織，還有可能對(duì)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施中使用的衛(wèi)星授時(shí)設(shè)備進(jìn)行欺騙。2014年10月，美國(guó)國(guó)土安全部官員在CSCC會(huì)議上稱，在美國(guó)當(dāng)前基站主用授時(shí)設(shè)備的欺騙和壓制干擾試驗(yàn)中，無(wú)抗欺騙措施的授時(shí)設(shè)備“全軍覆沒(méi)”，輸出了錯(cuò)誤的時(shí)間。

“利用信號(hào)模擬器產(chǎn)生虛假衛(wèi)星信號(hào)對(duì)授時(shí)接收機(jī)進(jìn)行欺騙并不難。一個(gè)像煙灰盒那么大的小干擾器，就可以把衛(wèi)星信號(hào)干擾掉。伊朗就通過(guò)干擾信號(hào)，捕獲過(guò)美國(guó)中央情報(bào)局的無(wú)人偵察機(jī)。同時(shí)，衛(wèi)星授時(shí)依托大氣通道，信道噪聲也比較大。而與之相比，光纖授時(shí)的優(yōu)勢(shì)就顯而易見(jiàn)?！碧岬焦饫w授時(shí)，劉濤興致勃勃地說(shuō)：“光纖深埋在地下，受到的干擾相對(duì)較少，所以它的信道就比較穩(wěn)定；而且，光纖資源也非常豐富，可以說(shuō)已經(jīng)深入千家萬(wàn)戶。除此以外，它最突出的優(yōu)點(diǎn)是安全性好，一根線在地下埋著，抗干擾能力極強(qiáng)，非常適合提供高精度、高可靠的授時(shí)服務(wù)?！?/p>

國(guó)家授時(shí)中心牽頭承擔(dān)了“十三五”國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高精度地基授時(shí)系統(tǒng)的研制與建設(shè)任務(wù)，光纖授時(shí)系統(tǒng)將在全國(guó)兩萬(wàn)公里光纖網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)E-19量級(jí)和100ps的超高精度時(shí)間頻率信號(hào)傳遞，為科研、信息、交通、國(guó)防等領(lǐng)域提供最高精度的時(shí)間和頻率信號(hào)服務(wù)。

作為“高精度地基授時(shí)系統(tǒng)”項(xiàng)目的總體總師，幾年的時(shí)間中，劉濤帶領(lǐng)光纖授時(shí)研發(fā)團(tuán)隊(duì)潛心鉆研，自主提出采用超大分頻、超低噪聲放大等技術(shù)，解決長(zhǎng)距離光纖中大動(dòng)態(tài)時(shí)變相位噪聲的精確測(cè)量與補(bǔ)償，千公里實(shí)地光纖上光頻傳遞穩(wěn)定度達(dá)到E-19量級(jí)，滿足我國(guó)異地光鐘比對(duì)急需。除此以外，還攻克了精密時(shí)間間隔測(cè)量、多用戶時(shí)間同步、凈化再生等技術(shù)，解決了皮秒級(jí)高精度時(shí)延控制及校準(zhǔn)等難題，研制了高精度多通道時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)間同步系統(tǒng)等技術(shù)裝備。更讓劉濤自豪的是，我國(guó)首次在千公里實(shí)地通信光纖上實(shí)現(xiàn)了十皮秒級(jí)時(shí)間傳遞，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，目前研究成果已應(yīng)用于我國(guó)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)和長(zhǎng)短波授時(shí)系統(tǒng)。

在壯美的祖國(guó)山河上，高精度時(shí)間頻率有望搭乘光纖，伴隨5G通信、無(wú)人駕駛、智慧城市等新興行業(yè)飛速發(fā)展，在天地一體化信息系統(tǒng)等重大科技平臺(tái)上大展拳腳。

說(shuō)團(tuán)隊(duì)：通力協(xié)作才是精英團(tuán)隊(duì)

在世界頂尖研究所做博士后研究的6年時(shí)間里，劉濤感觸最深的不僅是海外精密的設(shè)備、前沿的課題，而且還有整個(gè)科研團(tuán)隊(duì)合作攻關(guān)的能力。在他回國(guó)組建自己的科研團(tuán)隊(duì)時(shí)，最看重的也是整個(gè)團(tuán)隊(duì)的通力協(xié)作。

“在國(guó)外，良好的學(xué)術(shù)氛圍確實(shí)讓我更好地完成了知識(shí)積累。國(guó)外的學(xué)術(shù)交流很多，在互相學(xué)習(xí)和探討的氛圍中，我可以不斷擴(kuò)展自己知識(shí)的外延。同時(shí)讓我感受深刻的是，越是有難度的研究課題，越考驗(yàn)團(tuán)隊(duì)合作的能力。比如，我從事的光鐘研究，幾個(gè)小組分別進(jìn)行攻關(guān)。人與人、組與組需要共同努力，相互之間做好配合銜接，才能取得最終成果。所以，通力協(xié)作是團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)中最重要的能力?！?/p>

同時(shí)承擔(dān)我國(guó)空間站窄線寬激光器研制任務(wù)和國(guó)家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“高精度地基授時(shí)系統(tǒng)”兩方面科研任務(wù)，挑戰(zhàn)是巨大的。面對(duì)工程研制以及試驗(yàn)測(cè)試等層出不窮的挑戰(zhàn)，劉濤根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)要求和團(tuán)隊(duì)人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)，組建了空間窄線寬激光器和光纖授時(shí)兩個(gè)團(tuán)隊(duì)，專業(yè)領(lǐng)域覆蓋了多個(gè)方向：“我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，繼續(xù)向空間和工程兩方面努力。工作的難點(diǎn)涉及諸多知識(shí)層面，不光是簡(jiǎn)單的光學(xué)、電子，還包括結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、軟件、可靠性等?？蒲泄ぷ鞯那罢靶院投鄬W(xué)科的交叉性，必然要求科研團(tuán)隊(duì)齊心協(xié)力、協(xié)力攻關(guān)，才能圓滿完成任務(wù)。”

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心雖然是我國(guó)唯一全面專業(yè)深耕時(shí)間頻率領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)，但因?yàn)榈靥幬鞅保瑘F(tuán)隊(duì)的建設(shè)與發(fā)展不可避免地受到了制約，科研人手仍顯不足。

工作組合影

“我們的工作和一些基礎(chǔ)研究不太一樣，很多工作都是在做工程中展開(kāi)。比如，我們的光纖授時(shí)團(tuán)隊(duì)去年開(kāi)展千公里級(jí)的外場(chǎng)測(cè)試，風(fēng)吹日曬，非常辛苦，但沒(méi)有一個(gè)人叫苦，都在努力完成測(cè)試任務(wù)。”在這種背景下，劉濤一方面用事業(yè)、情懷、委以重任等多措并舉的帶隊(duì)策略激勵(lì)大家，另一方面，通過(guò)培養(yǎng)或聯(lián)合培養(yǎng)研究生，廣泛開(kāi)展國(guó)內(nèi)、國(guó)際合作并互派人員訪問(wèn)學(xué)習(xí)等方式壯大團(tuán)隊(duì)。目前，科研團(tuán)隊(duì)與德國(guó)PTB、法國(guó)SYRTE、英國(guó)NPL等同行積極開(kāi)展學(xué)術(shù)交流，成長(zhǎng)迅速；同時(shí)，還與上海技物所、中航513所、中航618所等國(guó)內(nèi)單位開(kāi)展工程技術(shù)協(xié)作，借力外部資源和人才優(yōu)勢(shì)，保障科研任務(wù)的圓滿完成。

在這位身先士卒的帶頭人引領(lǐng)下，科研能力和創(chuàng)新能力并重的研究團(tuán)隊(duì)大展身手。近5年，相關(guān)成果申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利23項(xiàng)，授權(quán)13項(xiàng)；兩名青年成員獲得國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目支持。劉濤本人先后入選了中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”、陜西省科技創(chuàng)新中青年領(lǐng)軍人才、陜西省科技新星；突破性成果的接連問(wèn)世，引起了中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、江蘇廣電等多家公司的注目，國(guó)家授時(shí)中心在應(yīng)用領(lǐng)域的更多嘗試也行將起航。

春綠秋白，日月沉降，行蹤不定的時(shí)間，一點(diǎn)點(diǎn)被人類的智慧馴服。

千億分之一秒或是更高精度的瞬間凝固在國(guó)家授時(shí)中心，它已伴隨著劉濤的理想落地、扎根，也將生發(fā)出未來(lái)科技的無(wú)限可能。