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潘建偉團隊再出新成果：中國科大實現(xiàn)遠距離高損耗自由空間高精度時頻傳遞


記者4月9日從中國科大獲悉，中國科學技術大學教授潘建偉及其同事張強、彭承志、姜海峰等實現(xiàn)長距離大損耗自由空間高精度時間頻率傳遞實驗，在大氣噪聲、鏈路損耗、傳輸延遲效應等多角度仿真了高軌衛(wèi)星星地高精度時頻傳遞，驗證了基于中高軌衛(wèi)星實現(xiàn)萬秒E-18量級穩(wěn)定度的星地時頻傳遞的可行性，為未來空間光頻標科學實驗和洲際光鐘頻率傳遞和比對奠定了基礎。該成果于2021年4月6日在線發(fā)表在國際學術知名期刊《Optica》上[Optica,8(4),471-476 (2021)]。

高精度的時間/頻率傳遞和比對技術廣泛應用于所有大尺度精密測量系統(tǒng)，在計量科學、相對論檢驗、引力波探測、廣域量子通信、深空導航定位等方面具有重要應用價值。目前國際計量標準體系正處于量子化階段，由于具有最高準確度，頻率標準在精密測量和國際計量體系中居于核心地位，目前除物質的量（mol）外其他基本物理量均直接或間接地溯源到頻率標準。另一方面，新型光頻標技術的快速發(fā)展，導致了其精準程度已經比原有“秒”定義頻標好兩個數(shù)量級；國際計量組織計劃2026年討論“秒”定義變更，技術路線圖的重要一環(huán)就是洲際E-18量級光頻標的時間頻率比對。超長距離高精度時間頻率傳遞和比對是目前國際計量和精密測量急需解決的難題，星地傳遞方式被認為是解決該問題的最可行方案。
在該項工作中，研究團隊選用雙光梳線性光學采樣的時間測量技術路線，相對于多頻微波、單光子等測量方法，該路線兼具高測量分辨率和斷光續(xù)傳可靠性等優(yōu)點，但實現(xiàn)方式較為復雜。首先，研究團隊全面分析了星地鏈路損耗、多普勒效應、鏈路時間非對稱、大氣引入噪聲等因素，得出高軌衛(wèi)星鏈路具有更長的過境和共視時間、更低的多普勒效應，更有利于實現(xiàn)高穩(wěn)定的星地時頻比對和傳遞鏈路的結論。基此，研究團隊從大氣噪聲、鏈路損耗和延遲時間方面設計了高軌星地時頻傳遞鏈路模擬實驗。通過低噪聲光梳放大、低損耗高穩(wěn)定雙光梳干涉光路和高精度高靈敏度線性采樣等關鍵技術攻關，研究團隊在上海市區(qū)成功搭建了16公里水平大氣自由空間高精度的雙光梳時頻傳遞鏈路，在72dB平均鏈路損耗和模擬長達1s鏈路傳輸延遲下，成功實現(xiàn)了4E-18@3000s穩(wěn)定度的時頻傳遞。實驗結果表明，基于高軌星地鏈路實現(xiàn)萬秒E-18量級穩(wěn)定度的時頻傳遞具有可行性。
中國科學技術大學副研究員沈奇和特任副研究員管建宇是本論文的共同第一作者。該工作得到科技部、基金委、中科院、安徽省和上海市等部門的資助和支持。（通訊員 桂運安 記者 汪喬）
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圖1：不同軌道星地高精度時頻傳遞示意圖
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圖2：16公里時頻傳遞地面實驗裝置圖：A.實驗選址和實物圖，B.實驗原理圖，C.線性光學采樣光路圖