同步时钟，用激光同步时钟

时间有点奇怪，有时候好像转瞬即逝，有时候又好像持续很久。时间不仅难以理解，时间信号的同步也是极其困难的，尤其是在恶劣条件下必须远距离传输的时候。现在，激光技术提供了一种简单的远距离时钟同步方法，已经被以中科大潘建伟院士为首的科学家证明。在脉冲激光的帮助下，团队在相距113公里的新疆自由空间成功同步了两个光钟。这比之前的纪录(16公里)高出了7倍。整个系统包括Menlo Systems公司的两个超低噪声光频梳FC1500-250-ULN、两个自制的低噪声光频梳、一个自制的放大器、一个高稳定的光收发系统和一个高效的光采样策略。

当阿尔伯特·爱因斯坦被要求定义时间时，他说:“时间就像一个时钟。”不幸的是，时钟有根深蒂固的相互偏离的倾向，要准确同步遥远的时钟并不容易。那么，在不断变化的大气条件下，如何实现远距离的时钟同步，达到我们全球通信、数据传输和导航系统所要求的精度水平呢？如何连接地球上最精确的计时设备而不降低其精度？

光钟网不仅是导航系统的核心，也是重新定义秒的关键，在重力测量中起着至关重要的作用。目前的时间标准依赖于铯原子钟，其滴答频率依赖于具体的微波跃迁频率。现在的光学钟是以锶、镱等元素的光学跃迁频率作为基本的时间单位。这些时钟的跳动速度比最好的铯原子钟快10万倍，这使得时间可以被分成更短的间隔，并使现代光学时钟能够达到1: 019的频率稳定度。为了使网络中的这种时钟同步，时钟之间必须以相同的高频传输时间信息，这就是振荡频率为几百THz的光频发挥作用的地方，这个频段的光信号通过地下光纤链路可以传输几百公里。然而，通过自由空间实现数据的可靠光传输仍然存在各种挑战，这项技术仍处于初级阶段。
潘建伟院士及其同事利用自由空间传输的脉冲激光，成功同步了两个相距113公里的光钟。他们还将之前的自由空间传输记录提高了近100公里。

由于大气中分子的吸收和散射，光谱近红外区域的光信号通过空气的传输效率低于更长波长的光信号，如红外或无线电波，这将显著降低到达探测器的近红外信号的强度。到目前为止，物理学家可以通过光纤传输必要的信号来比较光学时钟，但如果最终目标是建立一个基于光学时钟的全球通信网络，这种方法很快就会遇到瓶颈。

潘院士的团队可以产生、放大和传输近红外波段的光信号，这些信号足够稳定，可以成功传输到远处的接收器，尽管它们在穿过空气的过程中会发生相当大的衰减。研究人员使用光学频率梳来产生这些信号。潘院士的团队使用了Menlo Systems公司生产的两个FC1500-250-ULN和两个自制的光学频率梳作为链接的基础。为了补偿通过自由空间的高损耗，他们构建了自己的高效两级掺铒光纤放大器，并将其直接连接到光梳振荡器的输出端口。在将光信号过滤到20 nm的带宽后，他们可以将其功率提高到1W的水平。这是这项工作的主要技术改进之一，有助于确保实验的成功。此外，该团队优化了接收器的性能，使其能够检测到非常微弱的入射信号，并自动跟踪入射激光的方向。

为了评估系统的稳定性，该团队使用两种略有不同的波长来传输时间信号，并通过光纤链路发送另一种定时信号。通过比较接收器检测到的信号之间的微小差异，研究人员可以表明，时钟信号的传输速度可以达到相当于800亿年仅一秒的稳定水平。这个精度相当于最好的光钟。

但是光信号在自由空间的传输并不成熟，因为实验基本上都是在最佳大气条件下进行的。在城市环境中，较高的湿度和空气湍流会导致更大的信号衰减，但这些损耗主要集中在地面附近。在垂直信号传输的情况下，高空空气密度的降低会产生积极的影响。因此，该小组认为，他们的战略为基于卫星的时间信号传输提供了一个有希望的基础

这项新技术有望使太空中的光钟与地球上的时钟同步。该团队确信，他们的工作为未来通过卫星传播时频信号铺平了道路。而且基于这种同步技术的时钟网络，将有可能为基础物理提供新的探测手段，比如寻找暗物质、探测引力波等。