潘建伟院士团队，再发Nature！

光学时钟网络，在精确导航、重新定义“秒”的基本单位以及万有引力测试中，都有相关应用。由于最先进的光学时钟的频率不稳定性已经达到了10⁻¹⁹水平，要实现类似性能的全球规模光网络，需要在具有类似10⁻¹⁹不稳定性的远程自由空间链路上传播时间和频率。

然而，以前对时间和频率的高精度自由空间传播的尝试，没有超过几十公里。

在此，来自中国科学技术大学的姜海峰&张强&潘建伟等研究者，报告了在10,000 s内通过113千米的自由空间链路，时频传播的偏移量为6.3×10⁻²⁰±3.4×10⁻¹⁹，不稳定性小于4×10⁻¹⁹。相关论文以题为“Free-space dissemination of time and frequency with 10⁻¹⁹ instability over 113 km”于2022年10月05日发表在Nature上。

时间是国际单位制(SI)的七个基本单位之一。自2020年4月以来，其他五个基本单位，也一直依赖于时间和频率单位，因为它可以实现精度和稳定性。事实上，最先进的光学时钟已经证明了最精确的频率参考，可达到10^-19的局部水平。为了远程访问参考光学时钟并建立全球规模的网络，还需要以类似10^-19的精度远距离传播时频。预计通过传播技术连接的光学时钟网络，将打开许多令人兴奋的应用的可能性，包括“秒”单位的下一代定义，广义相对论的检验，探测物理常数的变化，寻找引力波和暗物质，以及远程量子网络等。

到目前为止，通过光纤链路的光载波相位传输已达到1000公里以上，在100秒时的稳定性为10^-19。然而，这种方法，可能使它难以到达某些地点，如山区、海洋环境、洲际和星际范围。特别是要建立全球范围的网络，必须发展自由-空-时-频传播。为此目的，前人进行了若干开拓性的工作，包括提出许多复杂技术的工作，如实时同步、多普勒速度校正和载波相位操作。然而，之前的工作只达到了16公里的距离，这限制了在许多长距离场景中的应用。同时，现有技术，不能满足未来星地时频传播对链路损耗的高要求。

与光纤通道相比，对流层区域的自由空间通道，由于受到大气干扰而更加不稳定，这可能导致频繁的信号丢失。因此，传播系统需要较大的歧义范围，才能使链路重连时不积累错误。用于时频连接的连续波(CW)激光载波，通常具有几飞秒的模糊范围，这太小，因而无法避免信号丢失后的周滑移。基于脉冲激光的测距方法，包括激光链路时间传输(T2L2)和欧洲激光计时(ELT)，具有足够长的模糊范围；然而，用光电二极管或单光子探测器进行振幅检测，通常将链路的不稳定性限制在皮秒级。

在此，为了克服这些挑战，研究者开发了一种基于光学频率梳(OFC)的链路，它结合了高精度光学相位检测和大模糊范围的特点。线性光学采样(LOS)，在整个模糊范围内提供飞秒精度。通过使用1w OFCs和纳米瓦级LOS模块，研究者实现了113公里自由空间链路上的时频传播，并在10,000 s时获得了低于4×10⁻¹⁹的稳定性。实现这一成就的关键技术包括：部署高功率频率梳、高稳定性和高效率光收发系统和高效线性光采样。研究者观察到，所达到的稳定性，在信道损耗达到89 dB时，仍然保持不变。这里报告的技术，不仅可以直接用于地面应用，而且可以为未来卫星时频传播奠定基础。

图1. 实验装置

图2. 113公里自由空间连接的特征

图3. 时频传递的实验结果

综上所述，研究者在113公里的自由空间链路上实现了时频传播。在长时间平均时间下，链路的TDEV在1 fs左右，10,000 s时相对不稳定性在4×10⁻¹⁹以下，而链路损耗高达89 dB。几个关键技术，特别是瓦级OFCs，使用正交偏振方案分离接收和发射光和高灵敏度LOS探测，已经被使用和验证，这打开了卫星-地面时频传播的路径。

在这些技术的基础上，研究者预计长途自由空间OFC链路，结合基于光纤和基于卫星的时频链路，将成为未来光时钟网络的重要组成部分。多普勒效应将是未来卫星的一个挑战，因为相关的传输不对称。先前的一项研究表明，在低多普勒速度下，如24 m s⁻¹，该链路具有10⁻¹⁹的不稳定性，大多普勒速度条件仍需进一步研究。

据悉，潘建伟院士团队，截止2022年10月06日，共发表了2篇nature和Science，其他的如下：

此外，截止2022年10月06日统计，潘建伟院士团队在Nature和Science共计发表了24项重要研究成果。