革命性升级！中国科研团队在高精度时频传递又立新功

喜事连连

最近几天，我国国宝级科学家潘建伟在科研上真可谓喜事连连：

• 10月4日，潘院士的导师奥地利物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）与两外两位顶级物理学家，在瑞典首都斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院被授予2022年诺贝尔物理学奖，以表彰他们在量子信息科学研究方面作出的贡献。

2022年诺贝尔物理学奖的三位物理学家

• 10月5日，国际顶级学术期刊《自然》刊登了中国科学技术大学潘建伟院士团队与多家合作单位共同完成的《自由空间传播的时间和频率与4E 19超过113公里的不稳定》。

自然期刊发表的文章

前者说明我国潘建伟院士师出名门，并从国际最新科研成果中转换为实际应用所取得的伟大卓越成就；后者论文签名人数足足有31人之多，充分说明不但我国科研成果的国际水平与地位，同时中国科研团队整体上已经不是点式突进发展，而是形成“集群化”带动的面式或体式突破发展。

近期针对这次新疆成功实验报道，已经非常多，如“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）”，对于大多数读者而言，这些过于专业的词汇，未必能看明白其中价值，下面就再简述一遍，或许就更清楚这种技术的黄金价值与深远的意义。

时间和频率的标准

很早前，人类就采用机械钟表（机械运动的周期）、日晷（阳光下的投影单）、水钟（漏壶稳定的滴水）等等来计时，不可否认，这些都是人类的伟大发明与智慧的结晶，这对百姓日常使用当然没问题，却对一些时间精度要求高的特殊应用场景，就显然已经不足够。

1955年世界第一台原子钟的发明起，就是基于原子频率的频率标准来设计的，精度可以达到每2000万年才误差1秒。从微波原子钟发展到光频原子钟（光钟），频率越来越高，精度也随之越来越高，光钟相比微波原子钟不确定精度又提高100到1000倍。

2014年，国际上最好的光钟的稳定度已经达到10-18量级。

2015年，我国计量院的锶原子光钟系统频移自评估稳定度也达到2.3 10-16。

无论微波原子钟还是光频原子钟，制作成本高而且都必须在特殊环境中，有些应用环境在不能直接自己配置原子钟时，就涉及到另一个问题，那就是精确时间与频率的传送，即如何准确地将原子钟的高精度时间与频率传送到应用场景？

时间和频率的传送

传统在自由空间中采用微波频率来传递，以GPS系统为例，需要长时间平均（时间：天）频率平均（频率不稳定度能达到 10-15），根本无法提供时间同步所必须的高精度（10-19）短稳时间信号，可见基于GPS的授时系统不具备传递高稳定的新一代光钟的能力！微波传送路径上，经过不懈努力，目前能传送高稳定的最远距离只有10公里！说白了，原子钟的时间频率精度上可以保证没问题，但是载具不够用，就如新中国成立后，原子弹爆炸成功，没有远程火箭哪行啊！

自由空间采用微波或光波不行，怎么办？对，只能采用光纤，我们以北大实验组完成的120 km电信级光纤为例，通过长时间的科研攻关，终于实现频率传递不稳定度达到6.18 10-20/2000 s，时间同步精度< 40 ps。原理框图如图下所示。

精密频率传递和时间同步原理框图

超过120公里，再怎么继续往外传送啦？我们在120 km光纤精密频率传递和时间同步的基础上，采用一对四点的星状组网，将近端原子钟输出的频率信号和时间信号经过120 km光纤的传递传递到中心站，再以此信号作为基准向在远端附近（<8 km）的四个节点发送信号，实现远端的四个节点也再现“原子钟”。星状组网的原理框图如下图所示。

站与站之间的拓扑图

看到这里相信大家基本明白，从原子钟基准站到应用过程中，传送问题存在严重的瓶颈，也是世界使用光钟的一个重大难题！杏儿造成目前应用上像有线互联网的味道，或者更明白点解释，就像我们第一代的有线电话机，严重依赖光纤网络，同时受限于距离，光钟的精确时间频率应用严重受限！

电话机与手机应用场景对比

技术突破、革命性升级、价值大、应用广

百公里高精度时频传递实验示意图

我们再次看到这种熟悉的实验示意图，立马就感觉到其重要价值及深远影响

• 自由空间（空气中）环境下，能够达到时间传递稳定度达到飞秒（千万亿分之一秒）量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19（相当于时钟约一千亿年的误差不超过一秒），完全可满足目前最高精度光钟的时间传递要求，意味着不再依赖光纤链接，完美实现时间与频率传送技术的迭代升级，进行自由空间内的无线传送！
• 距离113公里的自由空间内传送上能稳定工作，意味着近轨卫星可以实现在太空中直接应用或使用原子钟，进一步，卫星直接用于原子钟精确时间信号的传送啦？岂不是又可形成全球性的广域精确时间空域网？
• 一旦星地自由空间远距离光学时间频率传递实现推广应用，将面对众多需要高精度时间原子钟应用的场景，实现精度提升后的生产力的大幅度升级：
• 民用类:如天气预报、大地测量、地质勘探、雷达探测等，随着计时精度装备的升级，其精度立马可突破米级、分米级、厘米级，想着更高精度发展……
• 物理研究类：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，也因为精度时间可以随时调用的便利性，会产生重要而深远的影响。
• 军事类：空间武器、导弹防御、激光武器等等，大家可以充分发挥想象。
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大国利器