让时间穿越空间，星地高精度时间频率传递

时间和空间，可能是这个宇宙中最深远、最神秘、也最浪漫的两个词了。某一天，一串光，携带精确的时间，飞越苍茫外太空，来到你手上，只为了告诉你，身在何时，身处何处。

造  表

现代人的生活离不开时间，我们在分秒的流逝中安排我们的生活，在时间的河流中，谁都没有一刻停留下脚步。

可是，你知道时间究竟该怎么度量吗？

其实，古往今来，度量时间，都必须要依赖于一种周期性的行为。古时候，人们把寒来暑往定义为“年”，或者通过日升月落来定义“天”。春耕秋种，日常起居，都是按照这个周期进行。古时候的日晷，就是这种计时方式的见证。

那么，我们把日划分成小时、分钟、秒，就得到一秒的定义——一天的86400分之一。

可是，精确的天文观测发现，地球自转的速度是在不断变化的，也就是说，“天”的长短也是变化的，相应的，这样定义的“秒”也是不确定的。

于是，人们开始寻找一种更稳定、更精确的周期，来定义“秒”这个基本时间单位。既然宏观的日升日落时间长短在变化，那这个更稳定、更精确的周期，要从微观世界里去找。

量子物理告诉我们，原子中的电子可能处在一些特定的分立的能级上。电子在这些能级之间要想发生跃迁，需要与能级差相匹配的特定频率或能量的电磁波。如果光子的频率或能量与这个能级差相偏离，跃迁几率就会大大下降。于是，科学家们选择一些对电磁波频率匹配要求比较精确的跃迁，作为一种校准，选择电磁波的特定频率，这就是所谓的原子钟。1967年，国际计量大会将铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁辐射震荡9192631770周所持续的时间，定义为一秒。这样的原子钟，可以精确到三亿年只误差一秒。这样的计时标准，叫做“原子时”。

我们中国的国家计量研究院的微波频率标准（喷泉钟）实验室，主要职责是研制、维护和运行铯原子喷泉钟复现秒长，给出尽可能精确的国家秒长计量基准，并且向国际计量局报数，参与驾驭产生国际原子时。目前，该实验室的喷泉钟频率不确定度优于5.8E-16，相当于5400万年不差1秒，有望进一步提高达到世界领先水平。

可以想象，原子钟的精度就取决于两个超精细能级间激发光的频率精度。

起初，人们用微波来进行激发，由于光学的频率精度比微波要高100倍，人们一直想用光频率来代替微波频率。但是，由于光频率远远高于电信号的反应频率，所以，在2000年之前，一直没有可以把光频率用进原子钟的办法。直到，人们发展完善了一把神奇的梳子——光梳（OFC).

我们知道，光的频谱用频率（或波长）作为横轴，用强度作为纵轴。而光梳呢，在频谱上表现为，看起来像一根根梳齿，而且梳齿的数目远远多于普通的梳子。1999年，人们首次利用光梳，测得了氢原子1S到2S的绝对光学频率，而且精度比以往的光学频率测量提高了几个数量级。但这时，光梳还没有被应用到原子钟上。

直到2000年的时候，美国的John Hall团队和德国的Theoder Hansch团队成功验证了跨倍频程的自参考激光频率梳。（因为对光梳的贡献和相关的激光精密光谱学方面的工作，二人斩获了2005年的诺贝尔奖。）

得益于光梳自参考技术的发展，2002年，国际计量学会开始考虑将光钟作为下一个要拿下的高地，以确定更精确的时间标准。

为什么利用光梳就可以得到更高精度的时间基准呢？这就不得不提John Hall团队和德国的Theoder Hansch团队的功劳了。他们实现的自参考技术，使得原本的光梳的光谱可以扩展到一个倍频程的光带宽上，进一步可实现光梳的精确锁定。我们可以形象的理解，它类似于一种精密的光学齿轮，可以将光频阈与其他（比如射频）频域进行一个精确连接，解决了光震荡太快，其他电子学设备追不上的问题，相当于打通了光学和电子学的任督二脉，让光学和电子学可以畅通地对话。在实现自参考频率梳用于“钟”上仅仅一年，它的精度就可以和最好的铯原子微波钟一较高下，现在，最佳的光学钟的精度大约在10的-18次方，比既定的原子钟不确定度小了100倍。“大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）认为宇宙是由137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的；这样高精度的光钟可以确保宇宙诞生以来时间误差不超过1秒钟。

现在，光钟的研究还在世界范围内如火如荼的进行，但是我们可以想象，要想精确的时间基准为我们所用，除了要求钟表本身达到超高精度，还需要我们对表的过程不拖后腿。

对  表

对于高精度的时间基准来说，对表的重要性一点都不亚于造表这个过程本身。比如，我们都知道有个机构叫做“中国科学院国家授时中心”，它的主要任务就是把国家标准时间，通过有线或者无线的方式发送给用户。它运行着30多台原子钟，要把产生的“北京时间”发播给全国。国际上，也需要把各地的原子钟产生的时间进行发送、比对、同步、校准。

我们平时对表，大致是问问对方的表是几点，再看看自己的表，差多少，就补多少。其实，在高精度光钟的对表过程，也大致如此。只不过，技术上要难太多。关键的难点就在于时间-频率的传输过程。

时间-频率的传输首选光纤，但是到底不是世界上任何地方都布有光纤，对于远距离传输来说，无线传输更普适，覆盖更广。比如通过卫星链路传输，就是一个可以跨越大洋传输时间频率的思路。比如，美国的GPS和我国的北斗，广泛应用于交通、通信等领域，它们的卫星上都载有高精度的时间设备，地面上的各个设备的时间同步，都离不开卫星授时系统。

但是，无线传输稳定性的问题一直困扰着科学家。自由空间内，存在各种干扰，大气、电磁波，各种动荡和损耗都会影响时间-频率传输的精度。所以，这种传输的精度提升也遇到了瓶颈。在可以预见的未来，10的-18次方的高精度时间将被国际计量组织启用，传输的稳定性也必须跟得上。

但是，既然是有意义的事，科学家就不会畏惧艰难。卫星传输时间-频率一直是科学家努力的方向。

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想要验证这种方法的可行性，不必一开始就借助卫星，可以在地面上，找到可以比拟卫星传输条件的办法，进行初步的方法验证和技术准备。

中国的科学家团队在上海搭建了一套16公里的时频传输链路。链路暴露在水平的自由空间中，这是为了模拟星地传输过程中的大气层对稳定度的干扰。实际上，对于低海拔的嘈杂的城市来说，16公里的噪声远超过实际上星地传输的有效大气厚度的噪声了。

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（a）实际上的16km链路是两个折叠的8km环；（b)实验装置示意图

团队选择了光梳+线性光采样的技术组合，来实现这种“对表”方案。这种方案特别贴合实际——即使因为大气抖动，信号传输中断了，也可以精确地重新连接上。实验装置有两个光梳，对于每个光梳来说，自己作为本地的光脉冲，需要通过线性光学采样技术，与远处传过来的光梳信号进行时钟比对。

线性光学采样技术提出大约已经有十年，总的来说，就是利用采样光脉冲, 通过与待测光信号发生线性混频,完成对信号光的采样，得到待测光的到达时刻等信息。具体到这次实验，就是通过本地光梳和传输过来的光梳进行干涉，进而测定二者之间的相位差，以此来比较或者同步频率。而看这项实验是否成功，主要就是看，在复杂的损耗、噪声，甚至星地之间链接延迟效应等等干扰都存在的情况下，系统的稳定度能不能达到光钟要求的10的-18次方的级别。

研究团队通过对低噪声光梳放大、低损耗高稳定双光梳干涉光路和高精度高灵敏度线性采样等关键技术的攻关，最终，在72dB的平均链路损耗和模拟长达1s链路传输延迟下，成功实现了3000秒平均时间下10的-18次方稳定度的时频传递。并且通过模拟表明，这种路线用于高轨星地链路的话，10000秒平均时间内10的-18次方稳定度的实现是可行的。相关成果发表在了4月6日的《optica》上，并被选为当期封面。

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《optica》第四期封面

写在后面

也许你会问，平时我们使用时间不需要那么严格，为什么科学家一定要在超高精度的时频上这么精益求精呢？其实，我们每个人都离不开精密的时钟以及整套同步和比对系统。

对于基础物理学家来说，时间是一个重要的物理量，许多其他物理量都可以由它导出，所以，它本身地位就非常重要，好几个诺贝尔奖都与时间频率标准有关；此外，对于我们的日常生活，它也早就扮演了无可替代的角色，我们平时用到的导航技术，以及国防、通信、航天、航空等领域，无不需要高精度时间系统的加持。有了它，5G网络才可以遍布全球，太空飞行器才可以顺利对接……

一些发达国家在该领域早早开始布局，投资、研发相关技术和标准，就是为了在未来这一重要领域抢占至高地。不久的将来，国际计量组织将会重新定义“秒”，新的标准建立之时，也就是各国在时间频率比对技术的大比拼之时。我国科学家在星地时频传输方面的努力，就是为了在未来洲际时频比对的征途上，贡献我们的中国智慧。