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          國際首次!中國科學家實現百公里自由空間高精度時間頻率傳遞

          2022-10-7 08:22| 發布者: 隋意 |來自: 中國新聞網
          國際首次!中國科學家實現百公里自由空間高精度時間頻率傳遞
          百公里高精度時頻傳遞實驗示意圖!≈袊拼 供圖

            中新網北京10月5日電 (記者 孫自法)在星地自由空間遠距離光學時間頻率傳遞領域,中國科學家最新取得一項國際首次的重要突破——實現百公里自由空間高精度時間頻率傳遞。

            這項有望在從導航到引力波探測和暗物質搜尋等物理學基本問題研究方面產生重大應用的基礎科研領域重大成果論文,北京時間10月5日夜間在國際著名學術期刊《自然》上線發表!蹲匀弧穼徃迦烁叨仍u價稱,該項研究工作是星地自由空間遠距離光學時間頻率傳遞領域的一項重大突破,將對暗物質探測、物理學基本常數檢驗、相對論檢驗等基礎物理學研究產生重要影響。

            中國科學院(中科院)向媒體發布信息說,本項研究工作由中國科學技術大學潘建偉院士團隊與中科院上海技術物理研究所、中科院新疆天文臺、中科院國家授時中心、濟南量子技術研究院、寧波大學等合作,通過發展大功率低噪聲光梳、高靈敏度高精度線性采樣、高穩定高效率光傳輸等技術,首次在國際上實現百公里級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗,時間傳遞穩定度達到飛秒量級,頻率傳遞萬秒穩定度優于4E-19(E-19量級,相當于時鐘約一千億年的誤差不超過一秒)。這項實驗結果有效驗證了星地鏈路高精度光頻標比對的可行性,向建立廣域光頻標網絡邁出重要一步。

            據科研團隊介紹,近年來,基于超冷原子光晶格的光波段原子鐘(光鐘)的穩定度已進入E-19量級,將形成新一代的時間頻率標準(光頻標),結合廣域、高精度的時間頻率傳遞可以構建廣域時頻網絡,將在精密導航定位、全球授時、廣域量子通信、物理學基本原理檢驗等領域發揮重要作用。例如,當全球尺度時頻傳遞的穩定度達到E-18(相當于時鐘約一百億年的誤差不超過一秒)量級時,就可形成新一代的“秒”定義,2026年國際計量大會將討論這種“秒”的重新定義。在此基礎上進一步發展,高軌空間具有更低的引力場噪聲環境,光頻標和時頻傳遞的穩定度理論上能夠進入E-21(相當于時鐘約十萬億年的誤差不超過一秒)量級,有望在引力波探測、暗物質搜尋等物理學基本問題的研究方面產生重大應用。

            不過,傳統的基于微波的衛星時頻傳遞穩定度僅有E-16(相當于時鐘約一億年的誤差不超過一秒)量級,不能滿足高精度時頻網絡的需求;诠忸l梳和相干探測的自由空間時頻傳遞技術,穩定度可以達到E-19量級,是高精度時頻傳遞的發展趨勢,但此前國際上的相關工作信噪比低、傳輸距離近,難以滿足星地鏈路高精度時頻傳遞的需求。

            針對傳統時頻傳遞穩定度無法滿足高精度時頻網絡需求,科研團隊在本次合作研究中主要攻克了三方面難題:一是通過發展全保偏光纖飛秒激光技術,實現瓦級功率輸出的高穩定光頻梳;二是基于低噪聲平衡探測和集成干涉光纖光路模塊,結合高精度相位提取后處理算法,實現納瓦量級的高靈敏度線性光學采樣探測,單次時間測量精度優于100飛秒;三是進一步提升了光傳輸望遠鏡的穩定性和接收效率。

            以上述三大技術突破為基礎,中國科學家團隊在新疆烏魯木齊成功實現113公里自由空間時頻傳遞,時間傳遞萬秒穩定度達到飛秒量級,頻率傳遞萬秒穩定度優于4E-19,系統相對偏差為6.3E-20±3.4E-19,系統可容忍最大鏈路損耗高達89dB(即信號損耗至約十億分之一),遠高于中高軌星地鏈路損耗的典型預期值(約78dB,即信號損耗至約億分之一),充分驗證了星地鏈路高精度光頻標比對的可行性。

            科研團隊透露,在國際上首次實現百公里級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗之后,下一步,團隊還將結合中高軌量子衛星的研制,力爭在國際上率先實現星地高精度時頻傳遞。

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