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重新定義“秒”：潘建偉團(tuán)隊(duì)打破長距離時(shí)鐘同步紀(jì)錄

2022/10/31
導(dǎo)讀


物理學(xué)家潘建偉和他的同事在重定義秒的工作上達(dá)成了重要里程碑。


作者：Elizabeth Gibney

物理學(xué)家設(shè)計(jì)出了一種以極高精度通過大氣對(duì)準(zhǔn)兩塊鐘的方式，并使兩塊鐘的距離達(dá)到了破紀(jì)錄的113公里。

光鐘比目前定義協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）所使用的原子鐘還要精確100倍，而這次的里程碑朝著用光鐘重新定義秒的目標(biāo)更近了一步。

計(jì)量學(xué)家希望能在2030年使用光鐘重新定義秒，但擺在他們面前的一個(gè)障礙是，他們必須以一種非?？煽康姆绞皆诳缰揠H實(shí)驗(yàn)室的光鐘之間傳遞信號(hào)，從而比對(duì)它們的輸出信號(hào)。在實(shí)際操作中，這可能意味著需要將光鐘的時(shí)間經(jīng)由大氣和空間傳到衛(wèi)星上。但這種做法困難重重，因?yàn)榇髿鈺?huì)干擾信號(hào)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的物理學(xué)家潘建偉率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，在新疆當(dāng)?shù)叵嗑?13公里的兩個(gè)天文臺(tái)之間成功傳輸了精密的激光脈沖信號(hào)[1]，這一距離是此前紀(jì)錄[2]16公里的7倍。

科學(xué)家希望能用光鐘重新定義秒。來源：Julian Stratenschulte/DPA via ZUMA Press

該成果10月5日發(fā)表于《自然》，西澳大利亞大學(xué)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家David Gozzard對(duì)此的評(píng)價(jià)是“極其出色”。他說，在如此長距離的空間里實(shí)現(xiàn)如此高的同步率意味著“在實(shí)現(xiàn)星地傳遞的方向上取得了顯著進(jìn)展” 。

在難以到達(dá)的地方實(shí)現(xiàn)超精準(zhǔn)的時(shí)鐘同步對(duì)于其他研究領(lǐng)域也具有重要意義，日本電磁波研究所時(shí)空標(biāo)準(zhǔn)研究室主任Tetsuya Ido說。例如，這些鐘可以用來檢驗(yàn)廣義相對(duì)論——廣義相對(duì)論認(rèn)為時(shí)間在重力更強(qiáng)的地方流逝地更慢，例如低海拔地區(qū)。他說，比較兩個(gè)光鐘走時(shí)或能揭示由質(zhì)量移動(dòng)——如地殼板塊位移——導(dǎo)致的引力場(chǎng)的細(xì)微變化。

下一代時(shí)鐘


從1967年以來，“秒”一直是由銫-133原子鐘定義的：銫原子在特定態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)吸收和釋放微波輻射，該輻射震蕩9192631770周的時(shí)間就是1秒。如今，光鐘使用“嘀嗒”頻率更高的元素，如鍶和鐿，以便將時(shí)間切分成更細(xì)的分?jǐn)?shù)。

但是，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間不能僅靠一臺(tái)鐘來決定，計(jì)量學(xué)家必須將世界上數(shù)百臺(tái)鐘的時(shí)間平均起來。對(duì)銫鐘來說，時(shí)間可以通過微波信號(hào)傳輸，但微波輻射的頻率太低，無法傳遞光鐘的高頻信號(hào)。

通過大氣傳輸光學(xué)波長的信號(hào)并不像傳輸微波信號(hào)那么容易，因?yàn)榭諝庵械姆肿雍苋菀孜展獠?，?huì)大幅降低信號(hào)強(qiáng)度。更甚之，擾動(dòng)還會(huì)讓激光束偏離目標(biāo)。為了對(duì)光鐘進(jìn)行比對(duì)，物理學(xué)家目前主要依賴光纖傳遞信號(hào)，或是親自把龐大復(fù)雜的鐘運(yùn)送過去，放在一起并排比對(duì)。然而，要想打造能重新定義秒的全球性光鐘網(wǎng)絡(luò)，這些辦法就不切實(shí)際了。

Gozzard說，潘建偉團(tuán)隊(duì)在之前數(shù)個(gè)技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上取得了這次成功。為了產(chǎn)生信號(hào)，研究團(tuán)隊(duì)使用了光學(xué)頻率梳——這種裝置能產(chǎn)生高穩(wěn)定性、高精度的激光脈沖，同時(shí)使用高功率放大器增強(qiáng)輸出信號(hào)，從而盡量減少激光脈沖在空氣中傳播時(shí)損失的信號(hào)。團(tuán)隊(duì)還調(diào)試并優(yōu)化了接收器，讓它們可以收到低功率的信號(hào)，并自動(dòng)追蹤激光傳來的方向。

潘建偉團(tuán)隊(duì)用兩種可見光波長傳遞了時(shí)間間隔，并另外用光纖傳遞了一份。通過比較接收器所收到的信號(hào)之間的細(xì)微差別，研究團(tuán)隊(duì)證明，在以小時(shí)計(jì)的測(cè)量中，他們傳播“嘀嗒”的穩(wěn)定性可以達(dá)到每800億年僅誤差1秒。這一精確度與光鐘是相當(dāng)?shù)摹?/span>

還差一步


雖然這是人類目前掌握的穩(wěn)定度最高的傳遞技術(shù)，但它仍有待改進(jìn)，才能匹配最好的光鐘所能達(dá)到的穩(wěn)定度，Gozzard說。

另一個(gè)限制是，該實(shí)驗(yàn)是在一片大氣環(huán)境條件最佳的偏遠(yuǎn)地區(qū)完成的，Ido說，“當(dāng)?shù)氐臐穸确浅５?，空氣擾動(dòng)可能也比一般的城市地區(qū)要小?！苯窈笮栝_展進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來測(cè)試這種方法在其他地區(qū)的表現(xiàn)。

不過，英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家Helen Margolis說，這次實(shí)驗(yàn)似乎能很好地體現(xiàn)把這類信號(hào)傳去太空的效果。她說，地面上相距113公里的擾動(dòng)和地面到衛(wèi)星之間的擾動(dòng)差不多。

Gozzard說，基于衛(wèi)星的傳遞還有一大阻礙——鐘將在軌道上高速繞轉(zhuǎn)，這會(huì)改變它們的頻率。

潘建偉表示，這正是他們團(tuán)隊(duì)下一步要解決的挑戰(zhàn)之一。團(tuán)隊(duì)此前開發(fā)了面向量子通信衛(wèi)星的技術(shù)，現(xiàn)在正在想辦法將這些技術(shù)用于在地球同步軌道和地面的光鐘之間傳遞信號(hào)。

潘建偉還表示，使用太空中的光鐘，“或能為基礎(chǔ)物理提供新的探索工具，例如搜尋暗物質(zhì)和探測(cè)引力波”。


參考文獻(xiàn)：

  1. Shen, Q. et al. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-022-05228-5 (2022).

2. Shen, Q. et al. Optica 8, 471–476 (2021).


原文以Chinese team syncs clocks over record distance using lasers為標(biāo)題發(fā)表在2022年10月18日《自然》的新聞版塊上

? nature

doi: 10.1038/d41586-022-03297-0

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