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量子极限下，光钟实现最高精度的星地传输！

光子盒研究院

通信网络、卫星导航和测试广义相对论的基础物理学实验，只是依赖现代原子钟网络的各种系统中的几个。这些时钟精确到1018分之几：大致相当于能够测量从现在到大爆炸之间的时间，其不确定性只有一秒。然而，为了利用这一精度，来自原子钟的时间信号需要被可靠地传送出去。

近日，NIST、科罗拉多大学等科学家组成的联合团队展示了一种技术，可以用来在地球和卫星之间传输原子钟的时间信号，而不影响信号的精度和准确性——只受限于光的量子性质。

量子极限下，光钟实现最高精度的星地传输！
6月21日，相关成果以“Quantum-limited optical time transfer for future geosynchronous links”为题，发表在《自然》期刊上。
原子钟利用电子在原子的能量状态之间转换时发出的光的频率来计时。光学原子钟使用相交的激光束来捕获原子：这些激光束是经过设计的，因此激光的频率对电子发出的频率影响很小。光学原子钟的时间信号需要用激光、通过光纤电缆或空气来传输，这个过程称为光学时间传输。为了避免在传输过程中降低计时的准确性，传输系统需要比时钟本身更稳定；但它们的稳定性会因光纤附近的振动和温度变化，或空气中的湍流而降低。
在此之前，团队中有成员曾通过将原子钟与光频梳（产生极短的精确光脉冲的激光器）配对来证明光学时间传输。这些“梳子”对精确测量如此有用的原因之一是，这些脉冲可以以非常有规律的速度产生；通过测量从光链路两端的两个钟梳对发出的脉冲到达时间的差异，可以计算出时钟之间的时间差、揭示出它们有多接近同步。而且，由于两个“梳子”同时通过链路发送脉冲，任何由振动或空气湍流引起的时间精度下降都可以被消除。
量子极限下，光钟实现最高精度的星地传输！
去年，这种“梳子”被用来在两座山之间113公里的链接上传输稳定的时钟信号。然而，该演示依靠高功率的光学频率梳来发射和接收信号，使用的望远镜配有复杂的光学系统，以纠正链接上的湍流造成的梳状信号失真。相比之下，这次Caldwell等人使用了功率低200倍的梳状信号在300公里范围内传输此类信号：因此，能够使用不需要校正光学系统的较小的望远镜。
作者表明，这个系统通过在相距约150公里的夏威夷火山Mauna Loa和Haleakala之间发送信号而发挥作用。钟表都驻扎在Mauna Loa上，这样就可以很容易地验证时间传输的准确性和精确性；而信号从Haleakala反射出来，以最大限度地延长穿越的距离。
不仅于此，实验团队还优化了光学时间传输，使其达到量子极限；在这个极限上，可能的最高稳定性和精确度从根本上受到从梳子上接收的光子数量的限制。
量子极限下，光钟实现最高精度的星地传输！
在量子极限下，遥远的时钟之间实现精确的时间同步。Caldwell等人将光学时钟与光学频率梳（产生精确、有规律的光脉冲的激光器）配对，在夏威夷的Mauna Loa火山和Haleakala火山之间传输反射信号，往返距离达300公里。他们利用从一个时钟组合发送到另一个时钟组合的脉冲的到达时间差来计算时钟之间的时间差，其精度接近量子极限，这是由传输的光子数量决定的。这些时钟被连接起来，以便对时间传输进行验证，两个梳子的脉冲率被调整为扫描可能的时间差，然后被引导为同步脉冲。
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以往实验中提出的“时间可编程频率梳（time-programmable frequency comb）”
为了实现这一目标，Caldwell等人使用了他们以前开发的一种装置——“时间可编程频率梳（time-programmable frequency comb）”。在这项创新之前进行的研究中，链路两端的梳子被设定为以不同的速率脉冲；每隔一段时间，每个梳子的脉冲就会对齐，从而可以测量时钟之间的时间差。这使得时间传输系统能够扫描两个时钟之间可能的时间差范围，但由于速率是固定的，这也意味着梳子的大多数脉冲是不同步的，因此大多数光子没有被使用。
作者的时间可编程梳子使他们能够精确地调整脉冲率，从而使两个梳子在对可能的时间差进行初步扫描后能够达到同步。但是，尽管取得了这一进展，光子在穿越发射器和接收器之间300公里的空气时仍会丢失：每100个来自梳子的脉冲中只有大约一个能在链接的另一端检测到光子。然而，通过数字过滤和对梳子控制系统的仔细优化，作者能够利用检测到的少数光子，在这些损失的情况下实现有效的时间传输。
Caldwell及其同事的工作中最有前途的一个方面是，它表明该系统可以用来跨越地面和静止卫星之间的距离。静止卫星在一个高度上围绕地球运行，使它们能够在地球转动时停留在地球的同一位置。而成功跨越这一距离传输时间信号所需的梳子只需要4毫瓦的功率（一个典型的激光指示器发出1毫瓦）。因此，这些发现可以比现有系统更高的精度进行基础物理学实验。
量子极限下，光钟实现最高精度的星地传输！
地面到空间的时间传输。本文系统的效率使它成为卫星使用的理想选择，因为它的低功率和小望远镜孔径使其尺寸和重量最小化，从而使卫星的成本最小化。
更广泛地说，这次壮举代表了在“标准”量子极限下可以实现的最高时间传输精度。
未来，团队表示，一种叫做“量子压缩(quantum squeezing)”的技术可以通过增加另一个测量的不确定性来减少一个测量的量子不确定性，进而可以用来进一步推动可实现精度的极限、以跟上原子钟技术的发展。
目前，该团队的工作提供了迄今为止最令人信服的证明，证明了来自光学时钟的时间信号可以在地面和卫星之间传输——这一前景将对卫星用于基础和应用科学产生深远的影响。
参考链接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03253-4
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05228-5
[3]https://www.nature.com/articles/s41586-023-06032-5
[4]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01937-7

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