日报讯(记者吴长锋)近日,记者从中国科学技术大学获悉,潘建伟及其同事张强、江海峰、彭承志与上海理工大学、新疆天文台、中科院国家授时中心、济南量子技术研究所、宁波大学等合作,通过研制高功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术,在国际上首次实现了百公里级自由空间高精度时频传输实验,时间传输的稳定性达到了。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,为建立广域光频标网迈出了重要一步。这一成果于2022年10月5日在线发表在国际学术期刊《自然》上。

近年来,基于超冷原子光晶格的光波段原子钟(光钟)的稳定性已达到E-19级,将形成新一代时频标准(光频标准)。结合广域高精度时频传输,可以构建广域时频网络,在精确导航定位、全球授时、广域量子通信、基础物理原理试验等领域将发挥重要作用。比如,当全球范围内时频传输的稳定性达到E-18的量级时,就会形成“秒”的新定义,2026年国际计量大会将讨论“秒”的重新定义。

而高轨空间在引力场中具有更低的噪声环境,光频标和时频传递的稳定性理论上可以达到E-21水平,有望在引力波探测、暗物质搜索等基础物理问题的研究中有重大应用。而传统的基于微波的卫星时频传输的稳定性只有E-16,无法满足高精度时频网络的需求。基于光频梳和相干检测的自由空间时频传输技术,其稳定性可达E-19级,是高精度时频传输的发展趋势。但以往国际相关工作信噪比低,传输距离短,难以满足星地链路高精度时频传输的需求。

基于此,研究团队开发了全保偏光纤飞秒激光技术,实现了瓦级功率输出的高稳定光频梳;基于低噪声平衡检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,实现了纳米级的高灵敏度线性光学采样检测,单次测量精度优于100飞秒。进一步提高了光传输望远镜的稳定性和接收效率。在上述技术突破的基础上,研究团队在新疆乌鲁木齐成功实现了113km自由空间时频传输。每万秒时间传输的稳定性达到飞秒级别,每万秒频率传输的稳定性优于4E-19。系统的相对偏差为6.3e-203.4e-19。系统最大容许链路损耗高达89dB,远高于中高轨道星地链路损耗的典型期望值,充分验证了星地链路的高精度光频标准。

审稿人高度评价了这项工作,称这是卫星与地球自由空间远距离光时频传输领域的重大突破,将对暗物质探测、基础物理常数检验、相对论检验等基础物理研究产生重要影响。

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