去年，科學(xué)家們駕車登上夏威夷的莫納羅亞火山，將激光對準(zhǔn)位于毛伊島哈雷阿卡拉峰上的反射器，并在 150 公里的湍流空氣中發(fā)射快速激光脈沖。雖然脈沖非常微弱，但它們展示了物理學(xué)家長期尋求的一種能力：以與未來天基任務(wù)兼容的功率在遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)之間通過空氣傳輸極其精確的時(shí)間信號。
由美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 的科學(xué)家組成的團(tuán)隊(duì)獲得的結(jié)果可以使時(shí)間從地面?zhèn)鬏數(shù)?36,000 公里外的地球同步軌道上的衛(wèi)星，這些衛(wèi)星在地球表面的一個(gè)點(diǎn)上方靜止不動(dòng)。該方法將允許這種時(shí)間同步達(dá)到飛秒精度——比現(xiàn)有最先進(jìn)的衛(wèi)星方法好 10,000 倍。它還將允許使用最低限度的定時(shí)信號強(qiáng)度成功同步，這將使系統(tǒng)在面對大氣干擾時(shí)具有高度的魯棒性。
將遠(yuǎn)距離設(shè)備陣列協(xié)調(diào)到如此高的程度提供了多種有趣的可能性。雖然最新的光學(xué)原子鐘非常精確，但比較被大陸分隔的時(shí)鐘需要一種信號方法，可以在很遠(yuǎn)的距離內(nèi)傳遞這種精度，而目前基于微波的方法不能提供必要的保真度。
新方法可以讓地球兩側(cè)的光學(xué)時(shí)鐘通過地球同步衛(wèi)星連接起來，而不會造成任何此類損失，從而支持未來重新定義 SI，僅次于光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。將全球各地的光學(xué)原子鐘連接起來也可能導(dǎo)致從探索暗物質(zhì)到測試廣義相對論的一系列基礎(chǔ)物理測量。
并非所有可能性都需要光學(xué)原子鐘：同步廣泛分離的傳感器陣列的能力可以推進(jìn)超長基線干涉測量法(VLBI)，用于改進(jìn)黑洞成像等應(yīng)用。
“這種分布式相干傳感將是前所未有的，”NIST 博爾德校區(qū)的物理學(xué)家勞拉辛克萊爾說，該團(tuán)隊(duì)的研究論文于 6 月 21 日發(fā)表在《自然》雜志上。“我們設(shè)想使用這些傳感器陣列向上觀察太空和向下觀察地球。實(shí)施這些陣列取決于連接高精度光學(xué)時(shí)鐘，我們的結(jié)果表明我們現(xiàn)在擁有能夠做到這一點(diǎn)的工具。”
實(shí)驗(yàn)表明，該團(tuán)隊(duì)的最新發(fā)明時(shí)間可編程頻率梳可以發(fā)送和接收光學(xué)時(shí)鐘提供的高頻時(shí)間信號，這是頻率梳技術(shù)的創(chuàng)新。辛克萊說，正是這種新穎的頻率梳使結(jié)果成為可能。
“時(shí)間可編程頻率梳的擴(kuò)展功能讓我們能夠進(jìn)行這些測量，”辛克萊說。“沒有它，我們不可能獲得這些結(jié)果。”
從地球到地球同步軌道的光束需要穿過我們大氣中經(jīng)常多云、翻滾的層。為了從原理上證明信號能夠到達(dá)衛(wèi)星而不會在傳輸過程中迷路，該團(tuán)隊(duì)在相距 150 公里的兩座山上設(shè)置了其新穎的頻率梳和反射器：位于莫納羅亞山的側(cè)面和哈雷阿卡拉山的山頂，兩者都在夏威夷。將時(shí)間可編程頻率梳狀光發(fā)送到 Haleakala 并接收反射表明，與進(jìn)入地球同步軌道相比，信號可以穿透更多的大氣層。
往返不僅成功了，而且即使在同步設(shè)備所需的最低信號強(qiáng)度下也能成功——物理學(xué)家稱之為“量子極限”的強(qiáng)度。正如他們在之前的工作中所展示的那樣， 研究人員的時(shí)間可編程頻率梳能夠在這個(gè)量子極限下運(yùn)行，只有不到十億分之一的光子到達(dá)其目標(biāo)設(shè)備。即使激光僅發(fā)出 40 微瓦的功率，或者比激光指示器使用的功率低約 30 倍，它也能正常工作。(頻率梳的脈沖是紅外光，肉眼不可見。)
“我們希望將系統(tǒng)推向極限，我們已經(jīng)證明您可以在使用適合未來衛(wèi)星系統(tǒng)的傳輸功率和孔徑尺寸的同時(shí)保持高水平的性能，”辛克萊說。“這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)健性不僅在我們接收到的光少于我們傳輸?shù)氖畠|分之一時(shí)運(yùn)行良好，而且在我們損失的光量迅速變化時(shí)也能正常運(yùn)行，這預(yù)示著未來傳感網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間主干。”
展望未來，NIST 團(tuán)隊(duì)正在努力減小其系統(tǒng)的尺寸、重量和功率，并使其適應(yīng)移動(dòng)平臺。
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