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世界首次!祖国科学家达成百公里自由空间高精度时间频率传递

中新网北京10月5日电 (记者 孙自法)在星地自由空间远距离光学时间(shijian)频(pin)率传递领域,中国科学家最新取得一项国际首次的(de)重要突破——实现百公里自由空间高精度时间(shijian)频(pin)率传递。

这项有望在从导航到引力波探测和暗物质搜寻等物理学基本问题研究方面产生重大应用的(de)基础科研领域重大成果论文,北京时间(shijian)10月5日夜间在国际著名学术期刊《自然》上线发表。《自然》审稿人(ren)高度评价称,该项研究工作是(shi)星地自由空间远距离光学时间(shijian)频(pin)率传递领域的(de)一项重大突破,将对(dui)暗物质探测、物理学基本常数检验、相对(dui)论检验等基础物理学研究产生重要影响。

中国科学院(中科院)向媒体发布信息说,本项研究工作由中国科学技术大学潘建(jian)伟院士团队(tuandui)(dui)与中科院上海技术物理研究所、中科院新疆天文台、中科院国家授时中心、济南量子技术研究院、宁波大学等合作,通过发展大功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术,首次在国际上实现百公里级的(de)自由空间高精度时间(shijian)频(pin)率传递实验,时间(shijian)传递稳定度达到飞秒量级,频(pin)率传递万秒稳定度优于4E-19(E-19量级,相当于时钟约一千亿年的(de)误差不超过一秒)。这项实验结果有效验证了星地链路高精度光频(pin)标比对(dui)的(de)可行性,向建(jian)立广域光频(pin)标网络迈出重要一步。

据科研团队(tuandui)(dui)介绍,近年来,基于超冷原子光晶格的(de)光波段原子钟(光钟)的(de)稳定度已进入E-19量级,将形成新一代的(de)时间(shijian)频(pin)率标准(光频(pin)标),结合广域、高精度的(de)时间(shijian)频(pin)率传递可以构建(jian)广域时频(pin)网络,将在精密导航定位、全球授时、广域量子通信、物理学基本原理检验等领域发挥重要作用。例如,当全球尺度时频(pin)传递的(de)稳定度达到E-18(相当于时钟约一百亿年的(de)误差不超过一秒)量级时,就可形成新一代的(de)“秒”定义,2026年国际计量大会将讨论这种“秒”的(de)重新定义。在此基础上进一步发展,高轨空间具有更低的(de)引力场噪声环境,光频(pin)标和时频(pin)传递的(de)稳定度理论上能够进入E-21(相当于时钟约十万亿年的(de)误差不超过一秒)量级,有望在引力波探测、暗物质搜寻等物理学基本问题的(de)研究方面产生重大应用。

不过,传统的(de)基于微波的(de)卫星时频(pin)传递稳定度仅有E-16(相当于时钟约一亿年的(de)误差不超过一秒)量级,不能满足高精度时频(pin)网络的(de)需求。基于光频(pin)梳和相干探测的(de)自由空间时频(pin)传递技术,稳定度可以达到E-19量级,是(shi)高精度时频(pin)传递的(de)发展趋势,但此前国际上的(de)相关工作信噪比低、传输距离近,难以满足星地链路高精度时频(pin)传递的(de)需求。

针对(dui)传统时频(pin)传递稳定度无法满足高精度时频(pin)网络需求,科研团队(tuandui)(dui)在本次合作研究中主要攻克了三方面难题:一是(shi)通过发展全保偏光纤飞秒激光技术,实现瓦级功率输出的(de)高稳定光频(pin)梳;二是(shi)基于低噪声平衡探测和集成干涉光纤光路模块,结合高精度相位提取后处理算法,实现纳瓦量级的(de)高灵敏度线性光学采样探测,单次时间(shijian)测量精度优于100飞秒;三是(shi)进一步提升了光传输望远镜的(de)稳定性和接收效率。

以上述三大技术突破为基础,中国科学家团队(tuandui)(dui)在新疆乌鲁木齐成功实现113公里自由空间时频(pin)传递,时间(shijian)传递万秒稳定度达到飞秒量级,频(pin)率传递万秒稳定度优于4E-19,系统相对(dui)偏差为6.3E-20±3.4E-19,系统可容忍最大链路损耗高达89dB(即信号损耗至约十亿分之一),远高于中高轨星地链路损耗的(de)典型预期值(约78dB,即信号损耗至约亿分之一),充分验证了星地链路高精度光频(pin)标比对(dui)的(de)可行性。

科研团队(tuandui)(dui)透露,在国际上首次实现百公里级的(de)自由空间高精度时间(shijian)频(pin)率传递实验之后,下一步,团队(tuandui)(dui)还将结合中高轨量子卫星的(de)研制,力争在国际上率先实现星地高精度时频(pin)传递。(完) 【编辑:宋宇晟】

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