中国科学技术大学潘建伟团队首次在国际上实现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，频率传递万秒稳定度优于4×10-19，相关论文于2022年10月5日23点在线发表于国际著名学术期刊《自然》杂志。
夜幕退去、黎明初现，我们睁开蒙眬的双眼做的第一件事情是什么？相信大部分人一定是——看时间！
从每一个人的学习工作安排，到整个社会的有序运转，时间对于我们实在太重要了。小学生学习写作文后都知道，记叙文的基本要素有时间、地点、人物和事件。
时间是什么，又如何去测量和共享时间？对这些问题的探究贯穿整个人类文明史。春去秋来，物换星移，大自然的变化让古人感受到了时间的存在，同时也意识到可以利用自然界中的这些周期现象来度量时间。人们曾用各种不同的方式去记录时间的流逝。
时间的测量
“日出扶桑,入于咸池”，通过太阳的东升西落，我们知道了“一天”有多长；“人有悲欢离合，月有阴晴圆缺”，通过月相变幻，我们定义了“一月”；“春生夏长，秋收冬藏”，四季循环让我们感受到了“一年”。这些时间标准都是基于天体运动的周期，例如地球的自转、公转。单摆摆动、弹簧振动等等，它们也具有周期性，利用这些机械运动的周期，人们制造出机械钟表来测量时间。还有物体在阳光下的投影、漏壶稳定的滴水，这些现象也都体现出了周期变化的性质，因此我们有了日晷、水钟……原则上，任何周期性现象都可以作为我们的时间标准。
然而，地球的自转公转周期也存在不均匀，单摆的摆动避免不了摩擦等因素的影响，日晷、水钟会受到环境湿度温度的影响……这些因素都影响了时间测量的精确性，逐渐不能满足人们如今对时间精度的要求。能否找到一个更稳定、更精确的周期现象，从而提升我们对时间的测量精度呢？
让我们把目光从运转有序的天体转向神奇的量子世界。世界由微小的原子组成，每一个原子都可以看成是一个结构稳定的量子系统，在原子核的束缚之下，核外电子在特定的能级轨道上不断演化、运动。
原子具有不同的能级，电子在两个能级间发生跃迁时，会产生或吸收电磁波。量子理论则告诉我们，两个能级的能量差决定了电磁波的频率（能量差只需除去一个普朗克常量h，就是电磁波的频率了）。原子的能级结构很稳定，与之相应的电磁波频率也就是稳定的了。而所谓频率，即是单位时间内的振动次数，知道了频率，也就得到了时间。通常，我们把时间和频率统称为时频。看！原子的性质给予了我们测量时间的一个新途径。
除了稳定，另一个重要的事情是，原子的共振频率很高，例如铯133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁频率是9,192,631,770赫兹，也就是说，1秒钟振动超过90亿次。振动频率越高，计时就会越精确，这就像测量长度的尺子，刻度越密，测量精度就越高。
基于以上事实，原子钟诞生了。利用和原子的共振，我们可以制造出频率高且稳定的振荡器，进而去实现极高的时间测量精度。
正因为原子钟的优异性能，在第13届国际度量衡会议上，秒被重新定义了。秒由铯原子钟来定义，从此，时间基准所依据的不再是天体规律，而是量子世界中原子的行为。铯原子钟可以做到一亿年只有1秒的误差。
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”。光钟的测量精度现在已经可以做到千亿亿分之一，即10-19，在整个宇宙年龄的时间尺度上，误差还不到1秒。
（墨子沙龙 制作）
时间的传播
人们是如何不断提升“钟表”性能的，是一个激动人心的故事，但是到这里，故事还不完整。另一半故事是：我们还需要把精准的时间传播出去。当想知道现在的时间时，你会怎么做？当然不是跑到量子实验室去求助光钟，你会看下电脑上的钟表。我们电脑中有一个内置的计时钟表，而为了校正不断积累产生的计时误差，每隔一段时间，通过网络连接，它会和标准“北京时间”进行比对和同步。而北京时间基于的是国家授时中心的原子钟时间。
精确的计时不应局限于高冷的实验室，还要飞入寻常百姓家，因此，我们不仅要有最精确的原子钟，还要有与之精度相匹配的时间传递技术。准确、稳定的时间基准和高精度的时频传递，两者同样重要。
目前常用的时频传递方式有微波和光纤。利用光纤，已经能实现精度很高的时间传递，可以满足最精确光钟的要求，但光纤有其局限性，例如一些偏远地区还没有铺设光纤，也无法满足海上导航和定位的需要；另外，要实现全球性的时频传递网络，我们也需要在自由空间传输的技术，例如微波传输技术。我们知道，微波的频率要比可见光频率低很多，这就像一把刻度疏松的尺子，在根本上限制了微波时间传递的精度。利用微波，无法满足光钟时间精度的传递需要。
光给予我们精度10-19的时间标准，如何实现精度10-19的时间传递呢，我们同样求助于光。在这个世界上，有不同的光源，比如太阳光是遍布各种频率的连续光、我们常见的激光是单一频率的光源，还有另一种神奇的激光——光学频率梳，即光梳。
（墨子沙龙 制作）
光梳是一种超短脉冲激光，其光谱具有很奇特的性质：含有一系列不同的频率信号，而且这些频率是离散、等间距的。这些光学频率信号就像一个个梳齿，因此这种激光得名“光梳”。在时间上，光梳相邻脉冲的间隔比普通脉冲激光也具有更高的精度。
光梳的出现让人们可以更加精确、也更为容易地去测量频率和时间间隔。因其重要性，对光梳技术做出开创性贡献的约翰·霍尔（John Hall）和特奥多尔·亨施（Theodor Hänsch）获得了诺贝尔奖。光梳技术现在已经广泛应用于光钟、激光雷达、天文观测等等领域。
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频传递技术。光梳在其中发挥着关键作用。最近，中国科学技术大学团队基于光梳技术成功实现了自由空间中相距113公里的时频传递，精度达到10-19水平，满足了目前最高精度光钟的需求。
（墨子沙龙 制作）
地面附近自由空间的环境远比光纤中要复杂、要嘈杂，大气中的各种扰动和湍流、链路损耗、环境变化等等因素给自由空间中的长距离时频传递带来了极大困难。之前，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。
中国科大团队向这一难题发起挑战——在光源方面，研制出高功率高稳定度光梳，在光信号收发信道方面，研制出高稳定性且高效率的光收发望远镜系统，另外采用线性光学采样的干涉测量方式实现高精度的时间测量。经过一系列技术攻关，最终基于双飞秒光梳和线性光学采样，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10-19量级稳定度的时频传递。
（图片来自研究论文）
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。
为什么需要如此精确的计时？
在奥运赛场，百米大战最为激动人心，胜负往往在毫厘之间，我们直观上感觉到精确计时的重要性。东京奥运会采用高精度计时器，每秒可以捕捉10,000幅数码影像。在科学领域，时间的测量精度就更高得多了，精度已经步入10-19量级。作为七大基本物理量之一的时间，是目前测量最精确的物理量。人们不断在理论和技术上进行探索来提高时间测量精度，是为了什么呢？
精确的测量有望带给我们对世界的全新认识。一百多年前，著名物理学家开尔文勋爵就认为“物理学的未来,将只有在小数点第六位后面去寻找”，精密计量学的意义可见一斑。2005年诺贝尔物理学奖得主约翰·霍尔更是说“计量学是科学之母”。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、暗物质模型等等基础物理进行实验检验。测量结果的微小不同，带给我们的却可能是时空观念的转变。
时间的精确测量也可以让我们的生活更便利。例如，卫星的导航精度与计时精度紧密相关，我们的生活早已离不开导航和定位，要想定位更准确，比如精确到米以下，就需要更好的计时精度。在大地测量、地质勘探、雷达探测等等涉及社会民生的领域，精确的时间也都将发挥重要作用。
光钟以及光频传递技术的发展，有望让人们重新定义“秒”。现在秒的定义在1967年被确定，是由铯原子钟来定义的。经过几十年的发展，时间测量与比对的精确程度已经比原有定义优异两个以上数量级，因此国际计量组织计划2026年讨论“秒”定义的变更。秒是七大基本物理量之一，且目前其他基本物理量（除物质的量外）均直接或间接与时频标准相联系。因此，新的“秒”定义将给整个科学领域甚至社会的方方面面带来改变。
感谢沈奇、管建宇老师对本科普文章撰写的指导和帮助。
转自：墨子沙龙
作者：王佳
来源： 中国科学技术大学
