国家授时中心实现50公里光纤双向量子时钟同步
光子盒研究院出品
远距离时钟之间的精确同步在几乎所有类型的精密测量中起着至关重要的作用。与基于卫星的传统方法相比，光纤是进行精确时间和频率传递的有利通道。进一步配合量子技术，光纤量子时钟同步在提高精度和提供更好的安全保障方面显示出巨大的潜力。
为了进一步证明该技术在实际应用中的优势，中国科学院国家授时中心首席科学家张首刚和研究员董瑞芳带领研究团队在两种光纤距离(7公里的现场光纤链路和50公里的实验室光纤链路)上[1]进行了两次时钟同步性能测试。
研究成果分别发表在Optics Express[2]和Journal of Lightwave Technology[3]上。
通过7公里长的光纤，在位于国家授时中心园区内的氢脉泽和位于骊山天文台的铷钟之间进行双向量子同步的现场测试，结果表明，短期同步稳定度达到了铷钟对氢脉泽的固有频率稳定度，在30秒时测量为32皮秒。在7680秒时，长期同步稳定度达到19.3皮秒。
董瑞芳研究员说：“这项实验证明了双向量子时钟同步在提高同步性能方面的巨大潜力。”
图1 国家授时中心(NTSC)的氢脉泽和骊山天文台(LSO)的铷钟之间的现场双向量子时钟同步实验装置的(a)鸟瞰图和(b)示意图。来源：中科院国家授时中心
同时，该团队在实验室光纤上演示了光纤双向量子时钟同步实验，距离达到50公里。他们使用公共参考时钟，在57300秒时实现了54.6飞秒的同步稳定度和1.3皮秒±36.6皮秒的精度。使用独立参考时钟，结合微波频率转换技术也实现了相当的性能，在57300秒时的稳定度为89.5飞秒。
注：1飞秒等于1秒的一千万亿分之一，1皮秒等于1000飞秒。
图2 50公里光纤链路上量子时钟同步的示意图。来源：中科院国家授时中心
董瑞芳研究员说：“实验中取得的成果为双向量子时钟同步在城域光纤链路上实现飞秒级(fs)的精确同步提供了光明的前景。”
这些成果展示了双向量子时钟同步在提高基于城域光纤链路的现场应用的同步精度方面的潜力。
双向时间传递(TWTT)是精确比较和同步远距离时标的常用方法。广泛使用的基于卫星的TWTT已经达到了100皮秒的时间稳定度。与无线电辐射相比，光学TWTT具有更高的频率和带宽，可以实现几皮秒的时间稳定度和优于100皮秒的精度。通过利用光学频率梳作为光源，实现了自由空间中的时间传递稳定度达到飞秒量级，但代价是复杂的配置和对高保真频率梳传播的严格要求。
得益于光纤的低损耗、高可靠性和高稳定性，光纤时间和频率传递提供了一种替代自由空间传递的方法，具有潜在的优越性能。然而基于传统调制的经典双向传递方法在公共时钟下的最佳时间稳定度仍保持在亚皮秒级。另一方面，光纤色散使得利用光学频率梳在光纤链路上进行时间传递遇到了无法克服的困难，仅在色散补偿公里级光纤上实现了演示。此外，安全的时间传递对广泛的技术和基础设施至关重要。由于经典技术本质上容易受到恶意方的干扰，引入量子技术以确保安全性的需求变得迫切。
利用时间-能量纠缠光子对源的强时间相关特性，2018年，张首刚研究团队提出了基于光纤的双向量子时钟同步协议来比较和同步远距离时钟[4]。生成的光子对高度时间相关，可以在它们到达远程站点的时间中实现窄相关峰。通过使用相关峰位置，可以容易地提取远距离时钟之间的时间和频率差。与经典方法相比，这避免了必要的调制和解调，简化了时间传递过程，显著提高了单次测量精度。此外，传统光纤时间传递系统中固有的瑞利背向散射噪声可以很容易地避免，因为瑞利背向散射光子无法为时差测量提供有效的双光子符合。此外，时间-能量纠缠光子对源所具有的非局部色散抵消已经被证明能够解决纠缠损失，并将传递扩展到更远的距离。
在该团队之前的工作中，在公共时钟参考下，双向量子同步技术可实现的同步性能已在20公里的缠绕光纤链路上进行演示，同步稳定度为几十飞秒，精度为2.46皮秒[5]。随着量子中继器技术的发展，有望在数百公里的光纤距离上实现高精度的量子时钟同步。此外，时钟同步的安全性可以通过量子力学的互补性原理来保证，并可以基于量子技术可靠地执行必要的安全测试，例如量子纠缠的唯一非局域性，量子密钥分发，等等。
今年2月，新华社以《大国“钟”匠》为主题报道了张首刚和他的“时间团队”，并为我们讲述了中国在时间精密测量领域“弯道超车”的鲜为人知的故事[6]。
图3 2022年2月8日，中国科学院国家授时中心首席科学家张首刚在空间光钟实验室工作。来源：新华社
张首刚的办公桌台面夹层下铺着一件白色T恤衫，印着一个桶状精密装置的图案。
“T恤是我在法国巴黎天文台毕业时同事们为我定做的。画面上的装置，就是我参与改造的世界上第一台铯原子喷泉钟。”他说。
在国际单位制的七个基本物理量中，时间是测量精度最高、应用最广的一个。一些物理学家为能否研制出关乎时间产生与保持的原子钟，即原子频率标准(频标)而努力，这不仅是一国时间频率科学先进与否的战略资源，更是国家主权的彰显。
曾任北京大学常务副校长的物理学家王义遒说过：“在精确打击时代，原子钟的作用不亚于原子弹。”
“1998年，一名西方国家的知名物理学家在中国参观后，说中国原子钟实验研究靠‘碰运气’。我在与实验室其他科研人员闲谈中得知了这句话，被深深刺激，立志要做出一台长中国人志气的原子钟。”张首刚说。
2005年，张首刚海外学成回国后离开北京，来到位于西安市临潼区的国家授时中心，主持原子钟研发与标准时间研究。
“当时国家授时中心用于守时的小铯钟完全依赖进口，更没有基准型铯原子喷泉钟，就连相关研制设备和研究人员也都没有。”据张首刚的大学校友且几乎同期归国的国家授时中心研究员郭文阁回忆，就是在这样的条件下，张首刚从一个人起步、从单位一间地下室起步、从一把螺丝刀起步，搭建平台、招募人才。
现如今，他建立起的国家授时中心量子频标研究室已拥有近百名中青年科研人员，并发展成为中科院重点实验室；不仅自主研制出了国际先进的基准型铯原子喷泉钟，还在2018年实现守时型光抽运小铯钟的产品化。投身这项事业至今的31年里，他带队研制出了9种不同应用类型的新型原子钟。
应用广泛的便携化小铯钟产品，此前50多年都被美国独家垄断。2017年，小铯钟产品陆续对华禁售。
如今这款国产小铯钟不仅已应用在北斗卫星导航系统、长河二号导航系统、5G通信系统以及北极科考等任务，也装备在国家标准时间产生与保持系统。2021年11月，三台国产小铯钟在国际标准时间计算中取得贡献权重，并被国际权度局推荐给各国用于标准时间的产生。
“那位说中国靠‘碰运气’的外国科学家，在2019年的一次学术年会上碰到我时，对中国时频领域取得的成就表示了钦佩。”张首刚说。
把比微波原子钟精度更高的光钟送上太空，实现高精度空间时间基准，是当前世界科技发展的前沿。
张首刚和团队的十多名中青年“钟匠”，用十年打造出了中心的第一台地面光钟，如今的工作是把这台铺开来足有20多平方米的光钟塞进不到1立方米的空间站实验柜，其难度不只是器部件的尺寸缩小，更是系统与工艺的再造，需要突破系列关键技术。眼下，这台光钟正加紧在国家授时中心研制。
参考链接：
[1]https://english.cas.cn/newsroom/research_news/phys/202204/t20220424_304531.shtml
[2]https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-30-7-10269&id=470327
[3]https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9720084/authors#authors
[4]https://ieeexplore.ieee.org/document/8699494
[5]https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.100.023849
[6]https://www.cas.cn/xzfc/202202/t20220211_4824980.shtml
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