重定义“秒”：中国团队打破长距离时钟同步纪录

原文作者：Elizabeth Gibney

物理学家潘建伟和他的同事在重定义秒的工作上达成了重要里程碑。

物理学家设计出了一种以极高精度通过大气对准两块钟的方式，并使两块钟的距离达到了破纪录的113公里。

光钟比目前定义协调世界时（UTC）所使用的原子钟还要精确100倍，而这次的里程碑朝着用光钟重新定义秒的目标更近了一步。

计量学家希望能在2030年使用光钟重新定义秒，但摆在他们面前的一个障碍是，他们必须以一种非常可靠的方式在跨洲际实验室的光钟之间传递信号，从而比对它们的输出信号。在实际操作中，这可能意味着需要将光钟的时间经由大气和空间传到卫星上。但这种做法困难重重，因为大气会干扰信号。

中国科学技术大学的物理学家潘建伟率领团队，在新疆当地相距113公里的两个天文台之间成功传输了精密的激光脉冲信号[1]，这一距离是此前纪录[2]16公里的7倍。

科学家希望能用光钟重新定义秒。来源：Julian Stratenschulte/DPA via ZUMA Press

该成果10月5日发表于《自然》，西澳大利亚大学的实验物理学家David Gozzard对此的评价是“极其出色”。他说，在如此长距离的空间里实现如此高的同步率意味着“在实现星地传递的方向上取得了显著进展” 。

在难以到达的地方实现超精准的时钟同步对于其他研究领域也具有重要意义，日本电磁波研究所时空标准研究室主任Tetsuya Ido说。例如，这些钟可以用来检验广义相对论——广义相对论认为时间在重力更强的地方流逝地更慢，例如低海拔地区。他说，比较两个光钟走时或能揭示由质量移动——如地壳板块位移——导致的引力场的细微变化。

下一代时钟

从1967年以来，“秒”一直是由铯-133原子钟定义的：铯原子在特定态之间转换时会吸收和释放微波辐射，该辐射震荡9192631770周的时间就是1秒。如今，光钟使用“嘀嗒”频率更高的元素，如锶和镱，以便将时间切分成更细的分数。

但是，标准时间不能仅靠一台钟来决定，计量学家必须将世界上数百台钟的时间平均起来。对铯钟来说，时间可以通过微波信号传输，但微波辐射的频率太低，无法传递光钟的高频信号。

通过大气传输光学波长的信号并不像传输微波信号那么容易，因为空气中的分子很容易吸收光波，会大幅降低信号强度。更甚之，扰动还会让激光束偏离目标。为了对光钟进行比对，物理学家目前主要依赖光纤传递信号，或是亲自把庞大复杂的钟运送过去，放在一起并排比对。然而，要想打造能重新定义秒的全球性光钟网络，这些办法就不切实际了。

Gozzard说，潘建伟团队在之前数个技术攻关的基础上取得了这次成功。为了产生信号，研究团队使用了光学频率梳——这种装置能产生高稳定性、高精度的激光脉冲，同时使用高功率放大器增强输出信号，从而尽量减少激光脉冲在空气中传播时损失的信号。团队还调试并优化了接收器，让它们可以收到低功率的信号，并自动追踪激光传来的方向。

潘建伟团队用两种可见光波长传递了时间间隔，并另外用光纤传递了一份。通过比较接收器所收到的信号之间的细微差别，研究团队证明，在以小时计的测量中，他们传播“嘀嗒”的稳定性可以达到每800亿年仅误差1秒。这一精确度与光钟是相当的。

还差一步

虽然这是人类目前掌握的稳定度最高的传递技术，但它仍有待改进，才能匹配最好的光钟所能达到的稳定度，Gozzard说。

另一个限制是，该实验是在一片大气环境条件最佳的偏远地区完成的，Ido说，“当地的湿度非常低，空气扰动可能也比一般的城市地区要小。”今后需开展进一步实验来测试这种方法在其他地区的表现。

不过，英国国家物理实验室的物理学家Helen Margolis说，这次实验似乎能很好地体现把这类信号传去太空的效果。她说，地面上相距113公里的扰动和地面到卫星之间的扰动差不多。

Gozzard说，基于卫星的传递还有一大阻碍——钟将在轨道上高速绕转，这会改变它们的频率。

潘建伟表示，这正是他们团队下一步要解决的挑战之一。团队此前开发了面向量子通信卫星的技术，现在正在想办法将这些技术用于在地球同步轨道和地面的光钟之间传递信号。

潘建伟还表示，使用太空中的光钟，“或能为基础物理提供新的探索工具，例如搜寻暗物质和探测引力波”。

参考文献：

1. Shen, Q. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-022-05228-5 (2022).

2. Shen, Q. et al. Optica 8, 471–476 (2021).

原文以Chinese team syncs clocks over record distance using lasers为标题发表在2022年10月18日《自然》的新闻版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-022-03297-0

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