中國科學技術大學潘建偉團隊首次在國際上實現百公裡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4×10-19，相關論文于2022年10月5日23點在線發表于國際著名學術期刊《自然》雜志。

夜幕退去、黎明初現，我們睜開蒙眬的雙眼做的第一件事情是什麼？相信大部分人一定是——看時間！

從每一個人的學習工作安排，到整個社會的有序運轉，時間對于我們實在太重要了。小學生學習寫作文後都知道，記叙文的基本要素有時間、地點、人物和事件。

時間是什麼，又如何去測量和共享時間？對這些問題的探究貫穿整個人類文明史。春去秋來，物換星移，大自然的變化讓古人感受到了時間的存在，同時也意識到可以利用自然界中的這些周期現象來度量時間。人們曾用各種不同的方式去記錄時間的流逝。

時間的測量

“日出扶桑,入于鹹池”，通過太陽的東升西落，我們知道了“一天”有多長；“人有悲歡離合，月有陰晴圓缺”，通過月相變幻，我們定義了“一月”；“春生夏長，秋收冬藏”，四季循環讓我們感受到了“一年”。這些時間标準都是基于天體運動的周期，例如地球的自轉、公轉。單擺擺動、彈簧振動等等，它們也具有周期性，利用這些機械運動的周期，人們制造出機械鐘表來測量時間。還有物體在陽光下的投影、漏壺穩定的滴水，這些現象也都體現出了周期變化的性質，因此我們有了日晷、水鐘……原則上，任何周期性現象都可以作為我們的時間标準。

然而，地球的自轉公轉周期也存在不均勻，單擺的擺動避免不了摩擦等因素的影響，日晷、水鐘會受到環境濕度溫度的影響……這些因素都影響了時間測量的精确性，逐漸不能滿足人們如今對時間精度的要求。能否找到一個更穩定、更精确的周期現象，從而提升我們對時間的測量精度呢？

讓我們把目光從運轉有序的天體轉向神奇的量子世界。世界由微小的原子組成，每一個原子都可以看成是一個結構穩定的量子系統，在原子核的束縛之下，核外電子在特定的能級軌道上不斷演化、運動。

原子具有不同的能級，電子在兩個能級間發生躍遷時，會産生或吸收電磁波。量子理論則告訴我們，兩個能級的能量差決定了電磁波的頻率（能量差隻需除去一個普朗克常量h，就是電磁波的頻率了）。原子的能級結構很穩定，與之相應的電磁波頻率也就是穩定的了。而所謂頻率，即是單位時間内的振動次數，知道了頻率，也就得到了時間。通常，我們把時間和頻率統稱為時頻。看！原子的性質給予了我們測量時間的一個新途徑。

除了穩定，另一個重要的事情是，原子的共振頻率很高，例如铯133原子基态的兩個超精細能級之間的躍遷頻率是9,192,631,770赫茲，也就是說，1秒鐘振動超過90億次。振動頻率越高，計時就會越精确，這就像測量長度的尺子，刻度越密，測量精度就越高。

基于以上事實，原子鐘誕生了。利用和原子的共振，我們可以制造出頻率高且穩定的振蕩器，進而去實現極高的時間測量精度。

正因為原子鐘的優異性能，在第13屆國際度量衡會議上，秒被重新定義了。秒由铯原子鐘來定義，從此，時間基準所依據的不再是天體規律，而是量子世界中原子的行為。铯原子鐘可以做到一億年隻有1秒的誤差。

铯原子鐘的頻率在微波波段，現在科學家們又開發了锶、镱等新型原子鐘，它們的頻率要更高，在光學波段，因此被稱作“光學原子鐘”，簡稱“光鐘”。光鐘的測量精度現在已經可以做到千億億分之一，即10-19，在整個宇宙年齡的時間尺度上，誤差還不到1秒。

（墨子沙龍 制作）

時間的傳播

人們是如何不斷提升“鐘表”性能的，是一個激動人心的故事，但是到這裡，故事還不完整。另一半故事是：我們還需要把精準的時間傳播出去。當想知道現在的時間時，你會怎麼做？當然不是跑到量子實驗室去求助光鐘，你會看下電腦上的鐘表。我們電腦中有一個内置的計時鐘表，而為了校正不斷積累産生的計時誤差，每隔一段時間，通過網絡連接，它會和标準“北京時間”進行比對和同步。而北京時間基于的是國家授時中心的原子鐘時間。

精确的計時不應局限于高冷的實驗室，還要飛入尋常百姓家，因此，我們不僅要有最精确的原子鐘，還要有與之精度相匹配的時間傳遞技術。準确、穩定的時間基準和高精度的時頻傳遞，兩者同樣重要。

目前常用的時頻傳遞方式有微波和光纖。利用光纖，已經能實現精度很高的時間傳遞，可以滿足最精确光鐘的要求，但光纖有其局限性，例如一些偏遠地區還沒有鋪設光纖，也無法滿足海上導航和定位的需要；另外，要實現全球性的時頻傳遞網絡，我們也需要在自由空間傳輸的技術，例如微波傳輸技術。我們知道，微波的頻率要比可見光頻率低很多，這就像一把刻度疏松的尺子，在根本上限制了微波時間傳遞的精度。利用微波，無法滿足光鐘時間精度的傳遞需要。

光給予我們精度10-19的時間标準，如何實現精度10-19的時間傳遞呢，我們同樣求助于光。在這個世界上，有不同的光源，比如太陽光是遍布各種頻率的連續光、我們常見的激光是單一頻率的光源，還有另一種神奇的激光——光學頻率梳，即光梳。

（墨子沙龍 制作）

光梳是一種超短脈沖激光，其光譜具有很奇特的性質：含有一系列不同的頻率信号，而且這些頻率是離散、等間距的。這些光學頻率信号就像一個個梳齒，因此這種激光得名“光梳”。在時間上，光梳相鄰脈沖的間隔比普通脈沖激光也具有更高的精度。

光梳的出現讓人們可以更加精确、也更為容易地去測量頻率和時間間隔。因其重要性，對光梳技術做出開創性貢獻的約翰·霍爾（John Hall）和特奧多爾·亨施（Theodor Hänsch）獲得了諾貝爾獎。光梳技術現在已經廣泛應用于光鐘、激光雷達、天文觀測等等領域。

随着光鐘技術的發展，光鐘很有可能成為下一代時間頻率标準。全球性光鐘網絡的建立，亟需高精度的自由空間時頻傳遞技術。光梳在其中發揮着關鍵作用。最近，中國科學技術大學團隊基于光梳技術成功實現了自由空間中相距113公裡的時頻傳遞，精度達到10-19水平，滿足了目前最高精度光鐘的需求。

（墨子沙龍 制作）

地面附近自由空間的環境遠比光纖中要複雜、要嘈雜，大氣中的各種擾動和湍流、鍊路損耗、環境變化等等因素給自由空間中的長距離時頻傳遞帶來了極大困難。之前，自由空間中的光頻傳輸技術隻能實現10公裡量級的傳輸距離。

中國科大團隊向這一難題發起挑戰——在光源方面，研制出高功率高穩定度光梳，在光信号收發信道方面，研制出高穩定性且高效率的光收發望遠鏡系統，另外采用線性光學采樣的幹涉測量方式實現高精度的時間測量。經過一系列技術攻關，最終基于雙飛秒光梳和線性光學采樣，在相隔113公裡的新疆南山天文台和高崖子天文台之間實現了萬秒10-19量級穩定度的時頻傳遞。

（圖片來自研究論文）

這一突破不僅帶來地面上遠距離時頻傳遞的應用，還為未來基于中高軌衛星的高精度星地時頻傳遞奠定了基礎。

為什麼需要如此精确的計時？

在奧運賽場，百米大戰最為激動人心，勝負往往在毫厘之間，我們直觀上感覺到精确計時的重要性。東京奧運會采用高精度計時器，每秒可以捕捉10,000幅數碼影像。在科學領域，時間的測量精度就更高得多了，精度已經步入10-19量級。作為七大基本物理量之一的時間，是目前測量最精确的物理量。人們不斷在理論和技術上進行探索來提高時間測量精度，是為了什麼呢？

精确的測量有望帶給我們對世界的全新認識。一百多年前，著名物理學家開爾文勳爵就認為“物理學的未來,将隻有在小數點第六位後面去尋找”，精密計量學的意義可見一斑。2005年諾貝爾物理學獎得主約翰·霍爾更是說“計量學是科學之母”。時間的精确測量和傳遞，将使人們能夠對相對論原理、各種引力理論、暗物質模型等等基礎物理進行實驗檢驗。測量結果的微小不同，帶給我們的卻可能是時空觀念的轉變。

時間的精确測量也可以讓我們的生活更便利。例如，衛星的導航精度與計時精度緊密相關，我們的生活早已離不開導航和定位，要想定位更準确，比如精确到米以下，就需要更好的計時精度。在大地測量、地質勘探、雷達探測等等涉及社會民生的領域，精确的時間也都将發揮重要作用。

光鐘以及光頻傳遞技術的發展，有望讓人們重新定義“秒”。現在秒的定義在1967年被确定，是由铯原子鐘來定義的。經過幾十年的發展，時間測量與比對的精确程度已經比原有定義優異兩個以上數量級，因此國際計量組織計劃2026年讨論“秒”定義的變更。秒是七大基本物理量之一，且目前其他基本物理量（除物質的量外）均直接或間接與時頻标準相聯系。因此，新的“秒”定義将給整個科學領域甚至社會的方方面面帶來改變。

感謝沈奇、管建宇老師對本科普文章撰寫的指導和幫助。

轉自：墨子沙龍

作者：王佳

來源： 中國科學技術大學

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