当你想知道当下的时间，你会怎么做？你可能会看一下手表指针，或者手机上显示的时间数字，那你知道这个时间是如何精准地“跑”到你的手机里的吗？在这个过程中，产生的误差又有多少？这就涉及时间如何被精确测量、又如何精准传递的问题。

近日，我国科研团队首次在国际上实现了百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，时间传递稳定度达到飞秒量级，精确到了千亿亿分之一。这项研究由中国科学技术大学潘建伟团队与上海技物所、新疆天文台等单位合作完成，相关成果论文于近日在国际学术期刊《自然》杂志发表。这一实验结果将对精密导航定位、全球授时、广域量子通信，甚至是暗物质探测、相对论检验等基础物理学研究产生重要影响。这项研究的完成有哪些自主创新的“制胜法宝”？未来又将如何推动“秒”定义的变更？

百亿年的误差不到1秒

时间是什么，又该如何去测量和共享时间？古人曾用太阳东升西落、月亮阴晴圆缺这些自然界的周期现象来度量时间，现今，人们把目光从运转有序的天体转向了神奇的量子世界。在第13届国际度量衡会议上，“秒”被重新由铯原子钟来定义。中国科学技术大学研究员姜海峰介绍，由于原子的能级结构很稳定，与之相应的电磁波频率也十分稳定，知道了频率，也就得到了时间，所以，通常把时间和频率统称为时间频率，也就是“时频”。

姜海峰：现在国际上测量最准的基本量实际上就是时间频率。由于时间频率最准，现在七个基本物理量，除了摩尔以外的其他六个都是通过时间频率来体现的，然后通过其他的物理常数来转换，所以说时间频率特别重要。

铯原子钟的频率在微波波段，现在科学家们又开发了锶、镱等新型原子钟，它们的频率要更高，在光学波段，因此被称作“光学原子钟”，简称“光钟”。铯原子钟的测量精度可以达到一亿年只有1秒的误差，而光钟的测量精度现在已经是千亿亿分之一，也就是说，在百亿年中的误差还不到1秒。

姜海峰：光钟是原子钟的一种，最早发明的原子钟都是微波钟，它直接输出的频率信号是一个单频的微波信号，从物理本质上是有限制的，到了一定程度没有办法再提高了。光钟跃迁频率是在光频，它的输出是一束激光，从物理机制来讲，光钟还有极高的潜质，稳定度和不确定度实际上目前还在提高。

百公里高精度时频传递实验示意图

科研团队的制胜法宝——“光梳”

“北京时间”基于的是国家授时中心的原子钟时间，如何让这个时间“飞入寻常百姓家”？有了最精确的计时，还要有与之精度相匹配的时间传递技术。此前，自由空间中的光频传输技术只能实现10公里量级的传输距离，而这一次，中国科学技术大学团队在相隔113公里的新疆南山天文台和高崖子天文台之间实现了万秒10的负19次方量级稳定度的时频传递。

中国科学技术大学教授张强：把非常精密的时间信号通过望远镜打到100公里以外的另一个望远镜，信号被那边同样的一个望远镜接收了之后，他们进行一些比较精密的时间探测。同时那边也会打一个同样精密的光源信号过来，我们在这边也做一个同样的精密探测，然后两边的信号再做一个对准，进行校正。

地面附近自由空间的环境复杂，大气中的各种扰动和湍流、链路损耗、环境变化等因素给自由空间中的长距离时频传递带来了极大困难。除了高稳定性且高效率的光收发望远镜系统，科研团队还有一个制胜法宝，那就是高功率高稳定度的“光梳”。姜海峰介绍，光梳是一种超短脉冲激光，它的光谱含有一系列等间距的频率信号，这些信号的排列方式就像一个个梳子的齿，因此得名“光梳”。

姜海峰：由于大气介质不稳定，如果用一个特别高频的信号，比如单频激光，传了它会断，断了以后就不知道断了多久。“光梳”实际上是一个宽谱的激光，它从光谱上看，就像一把梳子一样。它的好处就是由于谱特别宽，相当于信息量变大了，光断了再恢复以后，就可以通过更多的信息来解算出来。

或将实现新一代“秒”定义的变更

时间的精确测量和传递，将使人们能够对相对论原理、各种引力理论、暗物质模型等基础物理进行实验检验。姜海峰说，这也和我们的生活密切相关，例如，卫星要想定位更准确，精确到毫米以下，就需要更好的计时精度，而在大地测量、地质勘探、雷达探测等领域，精确的时间也都将发挥重要作用。

姜海峰：一般来讲，勘探是通过引力势变化来判断底下有没有矿的，如果我们链路做得好，又有了一个光频标在某一个地方放着，就可以做精确的测量，很容易做勘探；再比如做深空探测，因为特别远，相当于测量一个越长的东西可能越不准，这个时候它精准的优势就会凸显出来了。

据了解，国际计量组织计划于2026年讨论“秒”定义的变更，随着光钟技术的发展，光钟很有可能成为下一代时间频率标准。全球性光钟网络的建立，亟需高精度的自由空间时间频率传递技术。张强介绍，这一突破不仅带来地面上远距离时频传递的应用，还为未来基于中高轨卫星的高精度星地时频传递奠定了基础。

张强：这个实验也证明了如果将来把设备放在卫星上，可以基于卫星来做洲际的时间比对。如果能够实现洲际的时间比对，那么我们就可以实现新一代“秒”定义的变更。

（总台中国之声记者 刘梦雅 杨森）

《中国之声》2022-10-07

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