“秒”要被重新定義了，潘建偉團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)“國(guó)際首次”研究功不可沒(méi)

十三 2022-10-20 11:43:09 來(lái)源：量子位

金磊 發(fā)自 凹非寺

量子位 | 公眾號(hào) QbitAI

家人們，你以為的那個(gè)“一秒鐘”，可能不再是你以為的你以為了。

之所以這么說(shuō)，是因?yàn)橹袊?guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)完成了一項(xiàng)“國(guó)際首次”的研究：

實(shí)現(xiàn)百公里自由空間時(shí)頻傳遞。

并且這項(xiàng)研究已經(jīng)在Nature上發(fā)表。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，研究有效驗(yàn)證了星地鏈路高精度光頻標(biāo)比對(duì)的可行性，向建立廣域光頻標(biāo)網(wǎng)絡(luò)邁出重要一步。

對(duì)此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張強(qiáng)教授表示：

將來(lái)如果放在衛(wèi)星上能做洲際的時(shí)間比對(duì)，我們就可以實(shí)現(xiàn)新一代的“秒”定義。

為什么“秒”要被重新定義了？

咱們現(xiàn)在經(jīng)常提到的時(shí)間概念“秒”，是自1976年以來(lái)，一直由銫-33原子鐘來(lái)定義的。

原子鐘最初是英國(guó)物理學(xué)家Louis Esseb創(chuàng)造，它的工作原理是計(jì)算原子中的電子自旋的翻轉(zhuǎn)頻率。

而在1976年這一年，科學(xué)家們通過(guò)銫-133原子在微波頻率下的跳動(dòng)，重新定義了這個(gè)時(shí)間基本單位：

1秒 = 銫原子的電子自旋翻轉(zhuǎn)9192631770次的持續(xù)時(shí)間。

雖然說(shuō)這種方式已經(jīng)夠精確了，但科學(xué)家們似乎卻不滿足于此。

截至目前，自然領(lǐng)域中對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度已經(jīng)步入10-19的量級(jí)。

這種量級(jí)通俗點(diǎn)來(lái)講，就是百億年期間誤差不會(huì)超過(guò)1秒。

而且時(shí)間是目前七大基本物理量中測(cè)量最精確的那一個(gè)。

但單有最精確的計(jì)時(shí)還是不夠的，因?yàn)樗€需要“配套”一個(gè)與之精度相匹配的時(shí)間傳遞技術(shù)。

二者的重要性可以說(shuō)是畫等號(hào)的。

但地面附近自由空間的環(huán)境復(fù)雜，大氣中的各種擾動(dòng)、湍流、鏈路損耗、環(huán)境變化等因素，給自由空間長(zhǎng)距離時(shí)頻傳遞帶來(lái)了極大困難。

此前，自由空間中的光頻傳輸技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)10公里量級(jí)的傳輸。

而潘建偉團(tuán)隊(duì)要攻克的正是這一難題：

• 在光源方面，研制出高功率、高穩(wěn)定度光輸。
• 在光信號(hào)收發(fā)信道方面，研制出高穩(wěn)定性、高效率的光收發(fā)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。
• 還采用線性光學(xué)采樣的干涉測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)了高精度的時(shí)間測(cè)量。

最終，潘建偉團(tuán)隊(duì)在相隔113公里的新疆南山天文臺(tái)和高崖子天文臺(tái)之間，實(shí)現(xiàn)了萬(wàn)秒10-19量級(jí)穩(wěn)定度的時(shí)頻傳遞。

據(jù)張強(qiáng)介紹：

把我們非常精密的這種時(shí)間信號(hào)，通過(guò)這個(gè)望遠(yuǎn)鏡打到這個(gè)100公里以外的另外一個(gè)望遠(yuǎn)鏡。

那邊的話，然后我的這個(gè)信號(hào)被那邊的一個(gè)同樣的一個(gè)望遠(yuǎn)鏡接收，接收了之后他們進(jìn)行一些比較精密的時(shí)間探測(cè)。

同時(shí)那邊也會(huì)打一個(gè)同樣的一個(gè)精密的光源信號(hào)也打過(guò)來(lái)，在這邊也做一個(gè)同樣的一個(gè)精密探測(cè)，然后兩邊的信號(hào)再做一個(gè)對(duì)準(zhǔn)，做一個(gè)校正。

據(jù)了解，該實(shí)驗(yàn)在如此自由空間時(shí)頻傳遞過(guò)程中：

時(shí)間傳遞萬(wàn)秒穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級(jí)，頻率傳遞萬(wàn)秒穩(wěn)定度優(yōu)于4E-19，系統(tǒng)相對(duì)偏差為6.3E-20±3.4E-19，系統(tǒng)可容忍最大鏈路損耗高達(dá)89dB，遠(yuǎn)高于中高軌星地鏈路損耗的典型預(yù)期值（約78dB）。

而國(guó)際計(jì)量組織計(jì)劃2026年討論“秒”定義的變更，也正因這項(xiàng)研究成果的實(shí)現(xiàn)，張強(qiáng)認(rèn)為：

如果能夠?qū)崿F(xiàn)洲際的比對(duì)的話，那么我們就可以實(shí)現(xiàn)新一代的這個(gè)“秒”定義。

與日常生活相關(guān)

那么接下來(lái)的一個(gè)問(wèn)題便是，這項(xiàng)研究成果會(huì)帶來(lái)哪些影響？

引用Nature審稿人的評(píng)價(jià)就是：

該工作是星地自由空間遠(yuǎn)距離光學(xué)時(shí)間頻率傳遞領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，將對(duì)暗物質(zhì)探測(cè)、物理學(xué)基本常數(shù)檢驗(yàn)、相對(duì)論檢驗(yàn)等基礎(chǔ)物理學(xué)研究產(chǎn)生重要影響。

但除此之外，其實(shí)這項(xiàng)研究也與人們的日常生活息息相關(guān)。

例如衛(wèi)星的導(dǎo)航精度與計(jì)時(shí)精度緊密相關(guān)，若是希望定位更加準(zhǔn)確（毫米以下），就需要更好的計(jì)時(shí)精度。

在大地測(cè)量、地質(zhì)勘探、雷達(dá)探測(cè)等涉及社會(huì)民生的領(lǐng)域，精確的時(shí)間也都將發(fā)揮重要的作用。

那么對(duì)于未來(lái)新“秒”的定義，你期待了嗎？

參考鏈接：

[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05228-5
[2]https://weibo.com/2032139271/Mb1zivEhA?type=comment
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/MCbQ6UJFNflzF0VmrtPw4Q
[4]https://tv.cctv.com/2022/10/06/VIDEYEjxB0UTcY85WichtWvz221006.shtml?spm=C45404.PCHhhgX3efBE.Ev0XVtu8CoWN.224
[5]https://ishare.ifeng.com/c/s/v002EZ3vLgfck1LPf29qCKM51b4D1bqKqLDSTFiDq8nGUgw__