光學(xué)時鐘網(wǎng)絡(luò)，在精確導(dǎo)航、重新定義“秒”的基本單位以及萬有引力測試中，都有相關(guān)應(yīng)用。由于最先進(jìn)的光學(xué)時鐘的頻率不穩(wěn)定性已經(jīng)達(dá)到了10^?19水平，要實現(xiàn)類似性能的全球規(guī)模光網(wǎng)絡(luò)，需要在具有類似10^?19不穩(wěn)定性的遠(yuǎn)程自由空間鏈路上傳播時間和頻率。

然而，以前對時間和頻率的高精度自由空間傳播的嘗試，沒有超過幾十公里。

在此，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的姜海峰&張強(qiáng)&潘建偉等研究者，報告了在10,000 s內(nèi)通過113千米的自由空間鏈路，時頻傳播的偏移量為6.3×10^?20±3.4×10^?19，不穩(wěn)定性小于4×10^?19。相關(guān)論文以題為“Free-space dissemination of time and frequency with 10^?19 instability over 113?km”于2022年10月05日發(fā)表在Nature上。

時間是國際單位制(SI)的七個基本單位之一。自2020年4月以來，其他五個基本單位，也一直依賴于時間和頻率單位，因為它可以實現(xiàn)精度和穩(wěn)定性。事實上，最先進(jìn)的光學(xué)時鐘已經(jīng)證明了最精確的頻率參考，可達(dá)到10^-19的局部水平。為了遠(yuǎn)程訪問參考光學(xué)時鐘并建立全球規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，還需要以類似10^-19的精度遠(yuǎn)距離傳播時頻。預(yù)計通過傳播技術(shù)連接的光學(xué)時鐘網(wǎng)絡(luò)，將打開許多令人興奮的應(yīng)用的可能性，包括“秒”單位的下一代定義，廣義相對論的檢驗，探測物理常數(shù)的變化，尋找引力波和暗物質(zhì)，以及遠(yuǎn)程量子網(wǎng)絡(luò)等。

到目前為止，通過光纖鏈路的光載波相位傳輸已達(dá)到1000公里以上，在100秒時的穩(wěn)定性為10^-19。然而，這種方法，可能使它難以到達(dá)某些地點，如山區(qū)、海洋環(huán)境、洲際和星際范圍。特別是要建立全球范圍的網(wǎng)絡(luò)，必須發(fā)展自由-空-時-頻傳播。為此目的，前人進(jìn)行了若干開拓性的工作，包括提出許多復(fù)雜技術(shù)的工作，如實時同步、多普勒速度校正和載波相位操作。然而，之前的工作只達(dá)到了16公里的距離，這限制了在許多長距離場景中的應(yīng)用。同時，現(xiàn)有技術(shù)，不能滿足未來星地時頻傳播對鏈路損耗的高要求。

與光纖通道相比，對流層區(qū)域的自由空間通道，由于受到大氣干擾而更加不穩(wěn)定，這可能導(dǎo)致頻繁的信號丟失。因此，傳播系統(tǒng)需要較大的歧義范圍，才能使鏈路重連時不積累錯誤。用于時頻連接的連續(xù)波(CW)激光載波，通常具有幾飛秒的模糊范圍，這太小，因而無法避免信號丟失后的周滑移。基于脈沖激光的測距方法，包括激光鏈路時間傳輸(T2L2)和歐洲激光計時(ELT)，具有足夠長的模糊范圍；然而，用光電二極管或單光子探測器進(jìn)行振幅檢測，通常將鏈路的不穩(wěn)定性限制在皮秒級。

在此，為了克服這些挑戰(zhàn)，研究者開發(fā)了一種基于光學(xué)頻率梳(OFC)的鏈路，它結(jié)合了高精度光學(xué)相位檢測和大模糊范圍的特點。線性光學(xué)采樣(LOS)，在整個模糊范圍內(nèi)提供飛秒精度。通過使用1w OFCs和納米瓦級LOS模塊，研究者實現(xiàn)了113公里自由空間鏈路上的時頻傳播，并在10,000 s時獲得了低于4×10^?19的穩(wěn)定性。實現(xiàn)這一成就的關(guān)鍵技術(shù)包括：部署高功率頻率梳、高穩(wěn)定性和高效率光收發(fā)系統(tǒng)和高效線性光采樣。研究者觀察到，所達(dá)到的穩(wěn)定性，在信道損耗達(dá)到89 dB時，仍然保持不變。這里報告的技術(shù)，不僅可以直接用于地面應(yīng)用，而且可以為未來衛(wèi)星時頻傳播奠定基礎(chǔ)。

圖1. 實驗裝置

圖2. 113公里自由空間連接的特征

圖3. 時頻傳遞的實驗結(jié)果

綜上所述，研究者在113公里的自由空間鏈路上實現(xiàn)了時頻傳播。在長時間平均時間下，鏈路的TDEV在1 fs左右，10,000 s時相對不穩(wěn)定性在4×10^?19以下，而鏈路損耗高達(dá)89 dB。幾個關(guān)鍵技術(shù)，特別是瓦級OFCs，使用正交偏振方案分離接收和發(fā)射光和高靈敏度LOS探測，已經(jīng)被使用和驗證，這打開了衛(wèi)星-地面時頻傳播的路徑。

在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究者預(yù)計長途自由空間OFC鏈路，結(jié)合基于光纖和基于衛(wèi)星的時頻鏈路，將成為未來光時鐘網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。多普勒效應(yīng)將是未來衛(wèi)星的一個挑戰(zhàn)，因為相關(guān)的傳輸不對稱。先前的一項研究表明，在低多普勒速度下，如24 m s^?1，該鏈路具有10^?19的不穩(wěn)定性，大多普勒速度條件仍需進(jìn)一步研究。

據(jù)悉，潘建偉院士團(tuán)隊，截止2022年10月06日，共發(fā)表了2篇nature和Science，其他的如下：

此外，截止2022年10月06日統(tǒng)計，潘建偉院士團(tuán)隊在Nature和Science共計發(fā)表了24項重要研究成果。