從時間到空間，高精度時間頻率傳遞技術突破
從時間到空間，高精度時間頻率傳遞技術突破
京準電子科技官微——ahjzsz
時間和空間，可能是這個宇宙中最深遠、最神秘、也最浪漫的兩個詞了，某一天，一串光，攜帶精確的時間，飛越蒼茫外太空，來到你手上，只為了告訴你，身在何時，身處何處，
造 表
現代人的生活離不開時間，我們在分秒的流逝中安排我們的生活，在時間的河流中，誰都沒有一刻停留下腳步，
可是，你知道時間究竟該怎么度量嗎？
其實，古往今來，度量時間，都必須要依賴于一種周期性的行為，古時候，人們把寒來暑往定義為“年”，或者通過日升月落來定義“天”，春耕秋種，日常起居，都是按照這個周期進行，古時候的日晷，就是這種計時方式的見證，
那么，我們把榷訓分成小時、分鐘、秒，就得到一秒的定義——一天的86400分之一，
可是，精確的天文觀測發現，地球自轉的速度是在不斷變化的，也就是說，“天”的長短也是變化的，相應的，這樣定義的“秒”也是不確定的，
于是，人們開始尋找一種更穩定、更精確的周期，來定義“秒”這個基本時間單位，既然宏觀的日升日落時間長短在變化，那這個更穩定、更精確的周期，要從微觀世界里去找，
量子物理告訴我們，原子中的電子可能處在一些特定的分立的能級上，電子在這些能級之間要想發生躍遷，需要與能級差相匹配的特定頻率或能量的電磁波，如果光子的頻率或能量與這個能級差相偏離，躍遷幾率就會大大下降，于是，科學家們選擇一些對電磁波頻率匹配要求比較精確的躍遷，作為一種校準，選擇電磁波的特定頻率，這就是所謂的原子鐘，1967年，國際計量大會將銫-133原子基態的兩個超精細能級間躍遷輻射震蕩9192631770周所持續的時間，定義為一秒，這樣的原子鐘，可以精確到三億年只誤差一秒，這樣的計時標準，叫做“原子時”，
我們中國的國家計量研究院的微波頻率標準（噴泉鐘）實驗室，主要職責是研制、維護和運行銫原子噴泉鐘復現秒長，給出盡可能精確的國家秒長計量基準，并且向國際計量局報數，參與駕馭產生國際原子時，目前，該實驗室的噴泉鐘頻率不確定度優于5.8E-16，相當于5400萬年不差1秒，有望進一步提高達到世界領先水平，
可以想象，原子鐘的精度就取決于兩個超精細能級間激發光的頻率精度，
起初，人們用微波來進行激發，由于光學的頻率精度比微波要高100倍，人們一直想用光頻率來代替微波頻率，但是，由于光頻率遠遠高于電信號的反應頻率，所以，在2000年之前，一直沒有可以把光頻率用進原子鐘的辦法，直到，人們發展完善了一把神奇的梳子——光梳（OFC).
我們知道，光的頻譜用頻率（或波長）作為橫軸，用強度作為縱軸，而光梳呢，在頻譜上表現為，看起來像一根根梳齒，而且梳齒的數目遠遠多于普通的梳子，1999年，人們首次利用光梳，測得了氫原子1S到2S的絕對光學頻率，而且精度比以往的光學頻率測量提高了幾個數量級，但這時，光梳還沒有被應用到原子鐘上，
直到2000年的時候，美國的John Hall團隊和德國的Theoder Hansch團隊成功驗證了跨倍頻程的自參考激光頻率梳，（因為對光梳的貢獻和相關的激光精密光譜學方面的作業，二人斬獲了2005年的諾貝爾獎，）
得益于光梳自參考技術的發展，2002年，國際計量學會開始考慮將光鐘作為下一個要拿下的高地，以確定更精確的時間標準，
為什么利用光梳就可以得到更高精度的時間基準呢？這就不得不提John Hall團隊和德國的Theoder Hansch團隊的功勞了，他們實作的自參考技術，使得原本的光梳的光譜可以擴展到一個倍頻程的光帶寬上，進一步可實作光梳的精確鎖定，我們可以形象的理解，它類似于一種精密的光學齒輪，可以將光頻閾與其他（比如射頻）頻域進行一個精確連接，解決了光震蕩太快，其他電子學設備追不上的問題，相當于打通了光學和電子學的任督二脈，讓光學和電子學可以暢通地對話，在實作自參考頻率梳用于“鐘”上僅僅一年，它的精度就可以和最好的銫原子微波鐘一較高下，現在，最佳的光學鐘的精度大約在10的-18次方，比既定的原子鐘不確定度小了100倍，“大爆炸宇宙論”（The Big Bang Theory）認為宇宙是由137億年前一次大爆炸后膨脹形成的；這樣高精度的光鐘可以確保宇宙誕生以來時間誤差不超過1秒鐘，
現在，光鐘的研究還在世界范圍內如火如荼的進行，但是我們可以想象，要想精確的時間基準為我們所用，除了要求鐘表本身達到超高精度，還需要我們對表的程序不拖后腿，
對 表
對于高精度的時間基準來說，對表的重要性一點都不亞于造表這個程序本身，比如，我們都知道有個機構叫做“中國科學院國家授時中心”，它的主要任務就是把國家標準時間，通過有線或者無線的方式發送給用戶，它運行著30多臺原子鐘，要把產生的“北京時間”發播給全國，國際上，也需要把各地的原子鐘產生的時間進行發送、比對、同步、校準，
我們平時對表，大致是問問對方的表是幾點，再看看自己的表，差多少，就補多少，其實，在高精度光鐘的對表程序，也大致如此，只不過，技術上要難太多，關鍵的難點就在于時間-頻率的傳輸程序，
時間-頻率的傳輸首選光纖，但是到底不是世界上任何地方都布有光纖，對于遠距離傳輸來說，無線傳輸更普適，覆寫更廣，比如通過衛星鏈路傳輸，就是一個可以跨越大洋傳輸時間頻率的思路，比如，美國的GPS和我國的北斗，廣泛應用于交通、通信等領域，它們的衛星上都載有高精度的時間設備，地面上的各個設備的時間同步，都離不開衛星授時系統，
但是，無線傳輸穩定性的問題一直困擾著科學家，自由空間內，存在各種干擾，大氣、電磁波，各種動蕩和損耗都會影響時間-頻率傳輸的精度，所以，這種傳輸的精度提升也遇到了瓶頸，在可以預見的未來，10的-18次方的高精度時間將被國際計量組織啟用，傳輸的穩定性也必須跟得上，
但是，既然是有意義的事，科學家就不會畏懼艱難，衛星傳輸時間-頻率一直是科學家努力的方向，
想要驗證這種方法的可行性，不必一開始就借助衛星，可以在地面上，找到可以比擬衛星傳輸條件的辦法，進行初步的方法驗證和技術準備，
中國的科學家團隊在上海搭建了一套16公里的時頻傳輸鏈路，鏈路暴露在水平的自由空間中，這是為了模擬星地傳輸程序中的大氣層對穩定度的干擾，實際上，對于低海拔的嘈雜的城市來說，16公里的噪聲遠超過實際上星地傳輸的有效大氣厚度的噪聲了，
（a）實際上的16km鏈路是兩個折疊的8km環；（b)實驗裝置示意圖
團隊選擇了光梳+線性光采樣的技術組合，來實作這種“對表”方案，這種方案特別貼合實際——即使因為大氣抖動，信號傳輸中斷了，也可以精確地重新連接上，實驗裝置有兩個光梳，對于每個光梳來說，自己作為本地的光脈沖，需要通過線性光學采樣技術，與遠處傳過來的光梳信號進行時鐘比對，
線性光學采樣技術提出大約已經有十年，總的來說，就是利用采樣光脈沖, 通過與待測光信號發生線性混頻,完成對信號光的采樣，得到待測光的到達時刻等資訊，具體到這次實驗，就是通過本地光梳和傳輸過來的光梳進行干涉，進而測定二者之間的相位差，以此來比較或者同步頻率，而看這項實驗是否成功，主要就是看，在復雜的損耗、噪聲，甚至星地之間鏈接延遲效應等等干擾都存在的情況下，系統的穩定度能不能達到光鐘要求的10的-18次方的級別，
研究團隊通過對低噪聲光梳放大、低損耗高穩定雙光梳干涉光路和高精度高靈敏度線性采樣等關鍵技術的攻關，最終，在72dB的平均鏈路損耗和模擬長達1s鏈路傳輸延遲下，成功實作了3000秒平均時間下10的-18次方穩定度的時頻傳遞，并且通過模擬表明，這種路線用于高軌星地鏈路的話，10000秒平均時間內10的-18次方穩定度的實作是可行的，相關成果發表在了4月6日的《optica》上，并被選為當期封面，
《optica》第四期封面
寫在后面
也許你會問，平時我們使用時間不需要那么嚴格，為什么科學家一定要在超高精度的時頻上這么精益求精呢？其實，我們每個人都離不開精密的時鐘以及整套同步和比對系統，
對于基礎物理學家來說，時間是一個重要的物理量，許多其他物理量都可以由它匯出，所以，它本身地位就非常重要，好幾個諾貝爾獎都與時間頻率標準有關；此外，對于我們的日常生活，它也早就扮演了無可替代的角色，我們平時用到的導航技術，以及國防、通信、航天、航空等領域，無不需要高精度時間系統的加持，有了它，5G網路才可以遍布全球，太空飛行器才可以順利對接……
一些發達國家在該領域早早開始布局，投資、研發相關技術和標準，就是為了在未來這一重要領域搶占至高地，不久的將來，國際計量組織將會重新定義“秒”，新的標準建立之時，也就是各國在時間頻率比對技術的大比拼之時，我國科學家在星地時頻傳輸方面的努力，就是為了在未來洲際時頻比對的征途上，貢獻我們的中國智慧，
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