光速傳感器工作原理及應用（千億年誤差小於1秒）

2023-07-26 21:06:07 2

生活中處處離不開時間上的應用，科學方面更是如此，比如我們使用導航定位，如果衛星和地面時間差了一秒，那麼地面距離上的誤差就得以公裡計，所以我國北鬥三號導航衛星上使用的氫原子鐘精度為運行300萬年才會差一秒。

其實科學家從未放棄過對精準計時的追求，那麼如今世界上最精確的計時方式有多精確呢？近日我國濟南量子技術研究院通過新技術實現了飛秒量級的精確計時，時間頻率傳遞萬秒穩定度優於4E-19，這麼高的精度相當於運行每一千億年的時間誤差不到一秒。

10月12日，《大眾日報》等媒體報導了我國山東濟南量子技術研究院的張強、陳法喜教授與中國科學技術大學潘建偉團隊等合作，利用大功率低噪聲光梳、高靈敏度高精度線性採樣、高穩定高效率光傳輸等技術，首次實現了百公裡級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗，結果顯示時間傳遞穩定度達到飛秒量級（一飛秒等於1000億分之一秒），頻率傳遞萬秒穩定度優於4E-19，這個精度相當於時鐘以這個頻率走上一千億年，時間上的誤差還不到一秒。

如何做到了如此精確的計時呢？研究團隊在新疆烏魯木齊成功實現了113公裡自由空間時頻傳遞，團隊創新性地發展了全保偏光纖飛秒雷射技術，實現了瓦級功率輸出的高穩定光頻梳，充分驗證了星地鏈路高精度光頻標比對的可行性，為建立廣域光頻標網絡打下了基礎。

這一時間精度新技術試驗利用基於低噪聲平衡探測和集成幹涉光纖光路模塊，結合了高精度相位提取後處理算法，從而實現了納瓦量級的高靈敏度線性光學採樣探測，時間傳遞萬秒穩定度達到飛秒量級，數據顯示單次時間測量精度優於100飛秒，頻率傳遞中萬秒穩定度已優於4E-19，可計算的系統相對偏差為6.3E-20±3.4E-19，而系統可容忍最大鏈路損耗高約89dB，高於中高軌星地鏈路損耗的約78dB典型預期值，能滿足目前最高精度光鐘的時間傳遞要求，具有很大的應用價值。實際上基於如此精度的時間頻率傳遞將能構建廣域時頻網絡，並且在精密導航定位、雷達探測、全球授時、廣域量子通信、天文研究、微觀探測等領域發揮作用。

這次計時實驗還被認為是首次在毫米尺度驗證愛因斯坦廣義相對論，相關研究成果已發表於著名學術期刊《自然》雜誌上，並且是作為封面文章發布的。審稿人高度評價了這項研究，認為其「是星地自由空間遠距離光學時間頻率傳遞領域的一項重大突破，將對暗物質探測、物理學基本常數檢驗、相對論檢驗等基礎物理學研究等方面產生十分重要影響。」

其實如今科學家們在計時精度的研究上傾向於使用基於超冷原子光晶格的光波段原子鐘，這種光鐘的穩定度已進入E-19量級，這意味著時間上的「秒」的定義可能將重新改寫，因為當全球尺度時頻傳遞的穩定度達到E-18量級時，就可形成新一代的「秒」定義。

如今國際上對「秒」在時間段上的定義是：當銫-133原子位於海平面高度（一個大氣壓），並處於非擾動基態時，兩個超精細能級間躍遷對應的輻射頻率ΔνCs以Hz(即等於s-1)為單位表達時，選取其固定數值的9192631770倍來定義的。

但這個定義還是1967年作出的，並且還有規定當全球尺度時頻傳遞的穩定度達到E-18量級時，就可形成新一代的「秒」定義，而如今光鍾穩定度已進入E-19量級，所以預估在下一次國際計量大會（2026年）召開時將討論「秒」的新定義，我國濟南量子技術研究院此次得出的4E-19量級的計時或將會成為重要參考。

不過4E-19量級的計時還並不是該團隊所使用的計時技術的精度極限，因為遠離地球的高軌空間具有更低的引力場噪聲環境，光頻標和時頻傳遞的穩定度理論上能夠進入E-21量級，也就是達到10萬億年誤差一秒的量級，如果在儀器和技術上能夠做到精度更高，那麼計時精度也能提高百倍。如果能將這樣的計時精度應用在導航定位上，誤差將縮小到微米級，用在引力波探測、暗物質搜尋等天文學研究上，也將能迎來革新性的變化。