团队为未来与地球同步卫星的超精确定时链接奠定基础

去年，科学家们驾车登上夏威夷的莫纳罗亚火山，将激光对准位于毛伊岛哈雷阿卡拉峰上的反射器，并在 150 公里的湍流空气中发射快速激光脉冲。虽然脉冲非常微弱，但它们展示了物理学家长期寻求的一种能力：以与未来天基任务兼容的功率在遥远的地点之间通过空气传输极其精确的时间信号。

由美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的科学家组成的团队获得的结果可以使时间从地面传输到 36,000 公里外的地球同步轨道上的卫星，这些卫星在地球表面的一个点上方静止不动。该方法将允许这种时间同步达到飞秒精度——比现有最先进的卫星方法好 10,000 倍。它还将允许使用最低限度的定时信号强度成功同步，这将使系统在面对大气干扰时具有高度的鲁棒性。

将远距离设备阵列协调到如此高的程度提供了多种有趣的可能性。虽然最新的光学原子钟非常精确，但比较被大陆分隔的时钟需要一种信号方法，可以在很远的距离内传递这种精度，而目前基于微波的方法不能提供必要的保真度。

新方法可以让地球两侧的光学时钟通过地球同步卫星连接起来，而不会造成任何此类损失，从而支持未来重新定义 SI，仅次于光学标准。将全球各地的光学原子钟连接起来也可能导致从探索暗物质到测试广义相对论的一系列基础物理测量。

并非所有可能性都需要光学原子钟：同步广泛分离的传感器阵列的能力可以推进超长基线干涉测量法(VLBI)，用于改进黑洞成像等应用。

“这种分布式相干传感将是前所未有的，”NIST 博尔德校区的物理学家劳拉辛克莱尔说，该团队的研究论文于 6 月 21 日发表在《自然》杂志上。“我们设想使用这些传感器阵列向上观察太空和向下观察地球。实施这些阵列取决于连接高精度光学时钟，我们的结果表明我们现在拥有能够做到这一点的工具。”

实验表明，该团队的最新发明时间可编程频率梳可以发送和接收光学时钟提供的高频时间信号，这是频率梳技术的创新。辛克莱说，正是这种新颖的频率梳使结果成为可能。

“时间可编程频率梳的扩展功能让我们能够进行这些测量，”辛克莱说。“没有它，我们不可能获得这些结果。”

从地球到地球同步轨道的光束需要穿过我们大气中经常多云、翻滚的层。为了从原理上证明信号能够到达卫星而不会在传输过程中迷路，该团队在相距 150 公里的两座山上设置了其新颖的频率梳和反射器：位于莫纳罗亚山的侧面和哈雷阿卡拉山的山顶，两者都在夏威夷。将时间可编程频率梳状光发送到 Haleakala 并接收反射表明，与进入地球同步轨道相比，信号可以穿透更多的大气层。

往返不仅成功了，而且即使在同步设备所需的最低信号强度下也能成功——物理学家称之为“量子极限”的强度。正如他们在之前的工作中所展示的那样， 研究人员的时间可编程频率梳能够在这个量子极限下运行，只有不到十亿分之一的光子到达其目标设备。即使激光仅发出 40 微瓦的功率，或者比激光指示器使用的功率低约 30 倍，它也能正常工作。(频率梳的脉冲是红外光，肉眼不可见。)

“我们希望将系统推向极限，我们已经证明您可以在使用适合未来卫星系统的传输功率和孔径尺寸的同时保持高水平的性能，”辛克莱说。“这个系统的稳健性不仅在我们接收到的光少于我们传输的十亿分之一时运行良好，而且在我们损失的光量迅速变化时也能正常运行，这预示着未来传感网络的时间主干。”

展望未来，NIST 团队正在努力减小其系统的尺寸、重量和功率，并使其适应移动平台。

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