实现接近量子极限的光学时间传递 | 量子科话

风云之声 2024-01-18

The following article is from 量子科话 Author 量子科话

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究团队发展了时间可编程光频梳技术，将接收功率的最小值从数纳瓦特降低到了仅为数百飞瓦特，接收功率接近量子极限。研究团队展示了在创纪录的300公里自由空间距离和创纪录的102dB链路损耗下，以仅4.0毫瓦的输出功率实现了阿秒级时间传输，远远优于分布式相干传感、秒重新定义以及基础物理学检验所要求的水平。该成果验证了在高损耗星地链路中实现大规模自由空间时间频率传递网络的可能性。相关论文于6月21日发表在《自然》杂志上。

© Nature研究论文以《用于未来地球同步链路的量子极限光学时间传递(Quantum-limited optical time transferfor future geosynchronous links)》为题发表于《自然》杂志物理学家长期以来都在寻求一种能力：在遥远的地点之间通过自由空间传输极其精确的时间信号，并且其传输功率适用于未来的太空任务。而由NIST科学家组成的研究小组所获得的这一结果，相当于可以实现从地面到36000公里外地球同步轨道卫星的时间传递。这种的方法可以实现飞秒精度的时间同步，精度比现有最先进的卫星方法高一万倍。该方法还允许使用最低限度的时间信号强度来实现成功同步，这使得系统在面对大气干扰时具有很高的鲁棒性。虽然目前最新的光学原子钟非常精确，但将相距遥远的光钟进行比对则需要一种能够远距离传递同样精度信号的方法，而目前基于微波的方法无法提供必要的保真度。研究团队所使用的新方法则可以让地球两端的光钟通过地球同步卫星连接起来，而不会受到任何保真度损失。

Credit: B. Hayes / NIST

通过应用NIST最近开发的激光频率梳技术

通过卫星以飞秒精度同步地球上的时钟可能成为现实

“这种分布式相干传感将是前所未有的，” Laura Sinclair说，她是NIST博尔德校区的物理学家，也是该研究论文的作者之一。“我们设想使用这些传感器阵列来观察太空和地球。实现这些阵列则依赖于连接高精度的光钟，而我们的研究结果表明，我们现在拥有能够做到这一点的工具。”实验表明，光钟提供的高频时间信号可以被该团队最新的发明——时间可编程频率梳——发送和接收，这是频率梳技术的一项创新。Sinclair表示，正是这种新型的频率梳使得这一结果成为可能。从地球传播到同步轨道的光束需要穿过通常多云、翻腾的大气层。为了从原理上证明信号能够到达卫星而不在传输过程中丢失的能力，研究团队在相距150公里的位于夏威夷的莫纳罗亚山和哈雷阿卡拉山上设置了新型的频率梳和反射器。时间可编程光频梳信号从莫纳罗亚山发送到哈雷阿卡拉山，并成功接收到反射信号。在低湍流强度下，时间偏差在3秒平均时间内低至35阿秒；在强湍流条件下，时间偏差在大约300秒的平均时间内低至220阿秒以下。由于10公里左右的近地面大气损耗就相当于整个竖直大气，这一结果显示，信号可以穿透比进入地球同步轨道更多的大气障碍。

Credit: B. Hayes / NIST研究团队通过在夏威夷两个岛屿的山脉之间发射光频梳脉冲来测试他们的技术演示了通过卫星来连接时钟所需的保真度即使信号非常微弱

正如研究团队在之前的工作中 [Nature 610, 667 (2022)] 所展示的那样，研究团队的时间可编程频率梳能够在同步设备所需的最低信号强度下工作。在这一量子极限下，只有不到十亿分之一的光子到达目标设备。即使激光器发出的功率只有40微瓦，比激光笔的功率低约30倍，系统也能工作。

“我们希望将系统推向极限，并且我们已经证明，可以在使用相当于未来卫星系统传输功率和孔径尺寸的同时，保持系统的高水平性能。”Sinclair说，“这个系统的鲁棒性不仅在接收到的光量少于发射光的十亿分之一时，而且在链路损耗迅速变化时也能良好运行，这对于构建未来传感网络的时间标准骨干网奠定了基础。”

NIST团队正在努力减小其系统的尺寸、重量和功率，并使其适应移动平台。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06032-5

报道链接：

https://phys.org/news/2023-06-team-lays-groundwork-future-ultra-precise.html