近日，中國科學技術大學潘建偉及其同事張強、姜海峰、彭承志等與上海技物所、新疆天文臺、中科院國家授時中心、濟南量子技術研究院和寧波大學等單位合作，通過發展大功率低噪聲光梳、高靈敏度高精度線性采樣、高穩定高效率光傳輸等技術，首次在國際上實現百公里級的自由空間高精度時間頻率傳遞實驗，時間傳遞穩定度達到飛秒量級，頻率傳遞萬秒穩定度優于4E-19。實驗結果有效驗證了星地鏈路高精度光頻標比對的可行性，向建立廣域光頻標網絡邁出重要一步。該成果于2022年10月5日在線發表于國際著名學術期刊《自然》雜志。

近年來，基于超冷原子光晶格的光波段原子鐘（光鐘）的穩定度已進入E-19量級，將形成新一代的時間頻率標準（光頻標），結合廣域、高精度的時間頻率傳遞可以構建廣域時頻網絡，將在精密導航定位、全球授時、廣域量子通信、物理學基本原理檢驗等領域發揮重要作用。例如，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，2026年國際計量大會將討論這種“秒”的重新定義。進一步，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，有望在引力波探測、暗物質搜尋等物理學基本問題的研究方面產生重大應用。然而，傳統的基于微波的衛星時頻傳遞穩定度僅有E-16量級，不能滿足高精度時頻網絡的需求。基于光頻梳和相干探測的自由空間時頻傳遞技術，穩定度可以達到E-19量級，是高精度時頻傳遞的發展趨勢，但此前國際上的相關工作信噪比低、傳輸距離近，難以滿足星地鏈路高精度時頻傳遞的需求。

在本工作中，研究團隊發展了全保偏光纖飛秒激光技術，實現了瓦級功率輸出的高穩定光頻梳；基于低噪聲平衡探測和集成干涉光纖光路模塊，結合高精度相位提取后處理算法，實現了納瓦量級的高靈敏度線性光學采樣探測，單次時間測量精度優于100飛秒；進一步提升了光傳輸望遠鏡的穩定性和接收效率。在上述技術突破的基礎上，研究團隊在新疆烏魯木齊成功實現了113公里自由空間時頻傳遞，時間傳遞萬秒穩定度達到飛秒量級，頻率傳遞萬秒穩定度優于4E-19，系統相對偏差為6.3E-20±3.4E-19，系統可容忍最大鏈路損耗高達89dB，遠高于中高軌星地鏈路損耗的典型預期值（約78dB），充分驗證了星地鏈路高精度光頻標比對的可行性。

審稿人高度評價該工作：“該工作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產生重要影響（The manuscript describes a major breakthrough into the realization of free-space satellite-based long range optical time and frequency dissemination, with impacts for fundamental physics (search for dark matter, test of fundamental constant, test of relativity…)。”

中國科學技術大學副研究員沈奇、管建宇和研究員任繼剛是本論文的共同第一作者。該工作得到中科院、科技部、基金委、安徽省、上海市和山東省等的資助和支持。

圖1：百公里高精度時頻傳遞實驗示意圖