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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及其同事張強(qiáng)、姜海峰、彭承志等與上海技物所、新疆天文臺(tái)、中科院國(guó)家授時(shí)中心、濟(jì)南量子技術(shù)研究院和寧波大學(xué)等單位合作，通過(guò)發(fā)展大功率低噪聲光梳、高靈敏度高精度線性采樣、高穩(wěn)定高效率光傳輸?shù)燃夹g(shù)，首次在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)百公里級(jí)的自由空間高精度時(shí)間頻率傳遞實(shí)驗(yàn)，時(shí)間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級(jí)，頻率傳遞萬(wàn)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(duì)的可行性，向建立廣域光頻標(biāo)網(wǎng)絡(luò)邁出重要一步。該成果于2022年10月5日在線發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志。

近年來(lái)，基于超冷原子光晶格的光波段原子鐘（光鐘）的穩(wěn)定度已進(jìn)入E-19量級(jí)，將形成新一代的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)（光頻標(biāo)），結(jié)合廣域、高精度的時(shí)間頻率傳遞可以構(gòu)建廣域時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)，將在精密導(dǎo)航定位、全球授時(shí)、廣域量子通信、物理學(xué)基本原理檢驗(yàn)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。例如，當(dāng)全球尺度時(shí)頻傳遞的穩(wěn)定度達(dá)到E-18量級(jí)時(shí)，就可形成新一代的“秒”定義，2026年國(guó)際計(jì)量大會(huì)將討論這種“秒”的重新定義。進(jìn)一步，高軌空間具有更低的引力場(chǎng)噪聲環(huán)境，光頻標(biāo)和時(shí)頻傳遞的穩(wěn)定度理論上能夠進(jìn)入E-21量級(jí)，有望在引力波探測(cè)、暗物質(zhì)搜尋等物理學(xué)基本問(wèn)題的研究方面產(chǎn)生重大應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的基于微波的衛(wèi)星時(shí)頻傳遞穩(wěn)定度僅有E-16量級(jí)，不能滿足高精度時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)的需求?；诠忸l梳和相干探測(cè)的自由空間時(shí)頻傳遞技術(shù)，穩(wěn)定度可以達(dá)到E-19量級(jí)，是高精度時(shí)頻傳遞的發(fā)展趨勢(shì)，但此前國(guó)際上的相關(guān)工作信噪比低、傳輸距離近，難以滿足星地鏈路高精度時(shí)頻傳遞的需求。

在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了全保偏光纖飛秒激光技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了瓦級(jí)功率輸出的高穩(wěn)定光頻梳；基于低噪聲平衡探測(cè)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(jí)的高靈敏度線性光學(xué)采樣探測(cè)，單次時(shí)間測(cè)量精度優(yōu)于100飛秒；進(jìn)一步提升了光傳輸望遠(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，研究團(tuán)隊(duì)在新疆烏魯木齊成功實(shí)現(xiàn)了113公里自由空間時(shí)頻傳遞，時(shí)間傳遞萬(wàn)秒穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級(jí)，頻率傳遞萬(wàn)秒穩(wěn)定度優(yōu)于4E-19，系統(tǒng)相對(duì)偏差為6.3E-20±3.4E-19，系統(tǒng)可容忍最大鏈路損耗高達(dá)89dB，遠(yuǎn)高于中高軌星地鏈路損耗的典型預(yù)期值（約78dB），充分驗(yàn)證了星地鏈路高精度光頻標(biāo)比對(duì)的可行性。

審稿人高度評(píng)價(jià)該工作：“該工作是星地自由空間遠(yuǎn)距離光學(xué)時(shí)間頻率傳遞領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，將對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)、物理學(xué)基本常數(shù)檢驗(yàn)、相對(duì)論檢驗(yàn)等基礎(chǔ)物理學(xué)研究產(chǎn)生重要影響（The manuscript describes a major breakthrough into the realization of free-space satellite-based long range optical time and frequency dissemination, with impacts for fundamental physics (search for dark matter, test of fundamental constant, test of relativity…)?！?/p>

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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、基金委、安徽省、上海市和山東省等的資助和支持。

圖1：百公里高精度時(shí)頻傳遞實(shí)驗(yàn)示意圖

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05228-5

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）