中國科研團(tuán)隊在前所未有的距離上同步時鐘

編譯 王曉濤

物理學(xué)家們設(shè)計了一種方案，可以極其精確地同步兩個時鐘在空間中的走時，其距離達(dá)到了前所未有的113公里。

這一壯舉使得我們離利用光學(xué)時鐘重新定義秒又近了一步——這一計時方式比目前基于協(xié)調(diào)世界時（UTC）的原子鐘精確100倍。

計量學(xué)家希望在2030年使用光學(xué)時鐘重新定義秒。但是，阻礙他們的一個重要問題是，科學(xué)家需要找到一種可靠的方法在各個大陸的實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)時鐘之間傳輸信號，以比較它們的輸出結(jié)果。在實(shí)踐中，這可能意味著我們需要通過空氣和太空將時鐘的時間傳輸?shù)叫l(wèi)星。這是一個巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榇髿鈺蓴_信號。

由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)家潘建偉領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊成功地在中國新疆相隔113公里的站點(diǎn)之間發(fā)送了精確的激光脈沖。這是之前記錄（16公里）的7倍。

西澳大利亞大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家大衛(wèi)·戈扎德（David Gozzard）說，2022年10月5日發(fā)表在《自然》雜志上的這項(xiàng)成果“十分杰出”。他補(bǔ)充說，在這種距離上實(shí)現(xiàn)如此高的同步效果是“在衛(wèi)星和地面之間傳輸信息的重大進(jìn)步”。

下一代時鐘

自1967年以來，“秒”一直是由銫 -133 原子鐘定義的：銫原子在特定態(tài)之間轉(zhuǎn)換時會吸收和釋放微波輻射，輻射震蕩9 192 631 770周的時間就是 1 秒。如今，光學(xué)時鐘使用鍶和鐿等元素的更高頻率，使其能夠?qū)r間切分成更精細(xì)的部分。

但是，標(biāo)準(zhǔn)時間不能僅使用一種時鐘來生成。計量學(xué)家必須將全球數(shù)百個時鐘的結(jié)果平均起來。對于銫鐘來說，時間可以通過微波信號傳輸，但微波輻射太低，無法傳達(dá)光鐘的高頻信號。

通過空氣發(fā)送光波信號并不像發(fā)送微波那么容易，因?yàn)榭諝庵械姆肿雍苋菀孜展?，從而大大降低信號的?qiáng)度。此外，湍流可以使激光束偏離目標(biāo)。為了比較光學(xué)時鐘的結(jié)果，物理學(xué)家迄今為止主要依靠光纖電纜傳輸信號，或者運(yùn)輸笨重、復(fù)雜的鐘表，將它們并排比較。但是，這些方法對于構(gòu)建能重新定義秒的全球性光鐘網(wǎng)絡(luò)而言并不適用。

戈扎德說，潘建偉的團(tuán)隊在之前技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上取得了成功。為了產(chǎn)生信號，研究人員使用光學(xué)頻率梳——一種產(chǎn)生極其穩(wěn)定和精確的激光脈沖的設(shè)備——并使用高功率放大器提高輸出，以最大限度地減少脈沖在空氣中傳播時的信號損失。該團(tuán)隊還調(diào)整和優(yōu)化了接收裝置，以便它們可以接收低功率信號并自動跟蹤入射激光的方向。

該團(tuán)隊使用兩種波長的可見光傳遞時間間隔，并通過光纖傳輸另一種波長的光。通過比較接收器收到信號之間的微小差異，研究人員表明，當(dāng)在數(shù)小時內(nèi)測量時，它們可以以足夠高的穩(wěn)定性傳播時間，誤差為大約每800億年損失或增加一秒鐘。其精度水平與光學(xué)時鐘相當(dāng)。

還差一步

戈扎德說，雖然這種方法是人類目前掌握的穩(wěn)定度最高的傳遞技術(shù)，但它還需要進(jìn)一步改進(jìn)，以匹配最佳的光學(xué)時鐘的穩(wěn)定性。

另一個限制是，實(shí)驗(yàn)是在具有最佳大氣條件的偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行的。濕度相當(dāng)?shù)?，空氣湍流可能比傳統(tǒng)城市地區(qū)更安靜。今后需要檢查該方法在其他地方的表現(xiàn)。

英國泰丁頓國家物理實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家海倫·馬戈利斯（Helen Margolis）說，這一實(shí)驗(yàn)?zāi)芎芎玫伢w現(xiàn)把這類信號傳去太空的效果。她說，預(yù)計地面上超過113公里的湍流與從地面到衛(wèi)星的湍流相當(dāng)。

戈扎德說，基于衛(wèi)星的傳輸將面臨進(jìn)一步的障礙——時鐘將以高速運(yùn)行，這會改變其信號的頻率。

潘建偉說，這是他的團(tuán)隊接下來將面臨的挑戰(zhàn)之一。該團(tuán)隊以前為量子通信衛(wèi)星開發(fā)了技術(shù)，現(xiàn)在正在使用這些技術(shù)來開發(fā)在地球靜止軌道和地面的光學(xué)時鐘之間進(jìn)行傳輸?shù)姆椒ā?/p>

潘建偉補(bǔ)充說：“在太空中使用光學(xué)時鐘，可能為基礎(chǔ)物理學(xué)提供新的探索工具，例如可以用來尋找暗物質(zhì)和引力波?！?/p>

資料來源 Nature