我国自由空间量子通信研究获新进展「中国首颗为青少年发射的科普卫星」
来源： 2023-09-08 08:17:08
百公里高精度时频传递实验示意图。 中国科大 供图
中新网北京10月5日电 (记者 孙自法)在星地自由空间远距离光学时间频率传递领域，中国科学家最新取得一项国际首次的重要突破——实现百公里自由空间高精度时间频率传递。
这项有望在从导航到引力波探测和暗物质搜寻等物理学基本问题研究方面产生重大应用的基础科研领域重大成果论文，北京时间10月5日夜间在国际著名学术期刊《自然》上线发表。《自然》审稿人高度评价称，该项研究工作是星地自由空间远距离光学时间频率传递领域的一项重大突破，将对暗物质探测、物理学基本常数检验、相对论检验等基础物理学研究产生重要影响。
中国科学院(中科院)向媒体发布信息说，本项研究工作由中国科学技术大学潘建伟院士团队与中科院上海技术物理研究所、中科院新疆天文台、中科院国家授时中心、济南量子技术研究院、宁波大学等合作，通过发展大功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术，首次在国际上实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19(E-19量级，相当于时钟约一千亿年的误差不超过一秒)。这项实验结果有效验证了星地链路高精度光频标比对的可行性，向建立广域光频标网络迈出重要一步。
据科研团队介绍，近年来，基于超冷原子光晶格的光波段原子钟(光钟)的稳定度已进入E-19量级，将形成新一代的时间频率标准(光频标)，结合广域、高精度的时间频率传递可以构建广域时频网络，将在精密导航定位、全球授时、广域量子通信、物理学基本原理检验等领域发挥重要作用。例如，当全球尺度时频传递的稳定度达到E-18(相当于时钟约一百亿年的误差不超过一秒)量级时，就可形成新一代的“秒”定义，2026年国际计量大会将讨论这种“秒”的重新定义。在此基础上进一步发展，高轨空间具有更低的引力场噪声环境，光频标和时频传递的稳定度理论上能够进入E-21(相当于时钟约十万亿年的误差不超过一秒)量级，有望在引力波探测、暗物质搜寻等物理学基本问题的研究方面产生重大应用。
不过，传统的基于微波的卫星时频传递稳定度仅有E-16(相当于时钟约一亿年的误差不超过一秒)量级，不能满足高精度时频网络的需求。基于光频梳和相干探测的自由空间时频传递技术，稳定度可以达到E-19量级，是高精度时频传递的发展趋势，但此前国际上的相关工作信噪比低、传输距离近，难以满足星地链路高精度时频传递的需求。
针对传统时频传递稳定度无法满足高精度时频网络需求，科研团队在本次合作研究中主要攻克了三方面难题：一是通过发展全保偏光纤飞秒激光技术，实现瓦级功率输出的高稳定光频梳；二是基于低噪声平衡探测和集成干涉光纤光路模块，结合高精度相位提取后处理算法，实现纳瓦量级的高灵敏度线性光学采样探测，单次时间测量精度优于100飞秒；三是进一步提升了光传输望远镜的稳定性和接收效率。
以上述三大技术突破为基础，中国科学家团队在新疆乌鲁木齐成功实现113公里自由空间时频传递，时间传递万秒稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19，系统相对偏差为6.3E-20±3.4E-19，系统可容忍最大链路损耗高达89dB(即信号损耗至约十亿分之一)，远高于中高轨星地链路损耗的典型预期值(约78dB，即信号损耗至约亿分之一)，充分验证了星地链路高精度光频标比对的可行性。
科研团队透露，在国际上首次实现百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验之后，下一步，团队还将结合中高轨量子卫星的研制，力争在国际上率先实现星地高精度时频传递。(完)
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