中國科研團隊在前所未有的距離上同步時鐘

編譯 王曉濤

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

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

計量學家希望在2030年使用光學時鐘重新定義秒。但是，阻礙他們的一個重要問題是，科學家需要找到一種可靠的方法在各個大陸的實驗室的光學時鐘之間傳輸信號，以比較它們的輸出結果。在實踐中，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到衛星。這是一個巨大的挑戰，因為大氣會干擾信號。

由中國科學技術大學物理學家潘建偉領導的團隊成功地在中國新疆相隔113公里的站點之間發送了精確的激光脈沖。這是之前記錄（16公里）的7倍。

西澳大利亞大學實驗物理學家大衛·戈扎德（David Gozzard）說，2022年10月5日發表在《自然》雜志上的這項成果“十分杰出”。他補充說，在這種距離上實現如此高的同步效果是“在衛星和地面之間傳輸信息的重大進步”。

下一代時鐘

自1967年以來，“秒”一直是由銫 -133 原子鐘定義的：銫原子在特定態之間轉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，光學時鐘使用鍶和鐿等元素的更高頻率，使其能夠將時間切分成更精細的部分。

但是，標準時間不能僅使用一種時鐘來生成。計量學家必須將全球數百個時鐘的結果平均起來。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，無法傳達光鐘的高頻信號。

通過空氣發送光波信號并不像發送微波那么容易，因為空氣中的分子很容易吸收光，從而大大降低信號的強度。此外，湍流可以使激光束偏離目標。為了比較光學時鐘的結果，物理學家迄今為止主要依靠光纖電纜傳輸信號，或者運輸笨重、復雜的鐘表，將它們并排比較。但是，這些方法對于構建能重新定義秒的全球性光鐘網絡而言并不適用。

戈扎德說，潘建偉的團隊在之前技術攻關的基礎上取得了成功。為了產生信號，研究人員使用光學頻率梳——一種產生極其穩定和精確的激光脈沖的設備——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。該團隊還調整和優化了接收裝置，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，當在數小時內測量時，它們可以以足夠高的穩定性傳播時間，誤差為大約每800億年損失或增加一秒鐘。其精度水平與光學時鐘相當。

還差一步

戈扎德說，雖然這種方法是人類目前掌握的穩定度最高的傳遞技術，但它還需要進一步改進，以匹配最佳的光學時鐘的穩定性。

另一個限制是，實驗是在具有最佳大氣條件的偏遠地區進行的。濕度相當低，空氣湍流可能比傳統城市地區更安靜。今后需要檢查該方法在其他地方的表現。

英國泰丁頓國家物理實驗室物理學家海倫·馬戈利斯（Helen Margolis）說，這一實驗能很好地體現把這類信號傳去太空的效果。她說，預計地面上超過113公里的湍流與從地面到衛星的湍流相當。

戈扎德說，基于衛星的傳輸將面臨進一步的障礙——時鐘將以高速運行，這會改變其信號的頻率。

潘建偉說，這是他的團隊接下來將面臨的挑戰之一。該團隊以前為量子通信衛星開發了技術，現在正在使用這些技術來開發在地球靜止軌道和地面的光學時鐘之間進行傳輸的方法。

潘建偉補充說：“在太空中使用光學時鐘，可能為基礎物理學提供新的探索工具，例如可以用來尋找暗物質和引力波。”

資料來源 Nature