團隊為未來與地球同步衛(wèi)星的超精確定時鏈接奠定基礎

去年，科學家們駕車登上夏威夷的莫納羅亞火山，將激光對準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家長期尋求的一種能力：以與未來天基任務兼容的功率在遙遠的地點之間通過空氣傳輸極其精確的時間信號。

由美國國家標準與技術(shù)研究院 (NIST) 的科學家組成的團隊獲得的結(jié)果可以使時間從地面?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點上方靜止不動。該方法將允許這種時間同步達到飛秒精度——比現(xiàn)有最先進的衛(wèi)星方法好 10,000 倍。它還將允許使用最低限度的定時信號強度成功同步，這將使系統(tǒng)在面對大氣干擾時具有高度的魯棒性。

將遠距離設備陣列協(xié)調(diào)到如此高的程度提供了多種有趣的可能性。雖然最新的光學原子鐘非常精確，但比較被大陸分隔的時鐘需要一種信號方法，可以在很遠的距離內(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)的光學時鐘通過地球同步衛(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，僅次于光學標準。將全球各地的光學原子鐘連接起來也可能導致從探索暗物質(zhì)到測試廣義相對論的一系列基礎物理測量。

并非所有可能性都需要光學原子鐘：同步廣泛分離的傳感器陣列的能力可以推進超長基線干涉測量法(VLBI)，用于改進黑洞成像等應用。

“這種分布式相干傳感將是前所未有的，”NIST 博爾德校區(qū)的物理學家勞拉辛克萊爾說，該團隊的研究論文于 6 月 21 日發(fā)表在《自然》雜志上。“我們設想使用這些傳感器陣列向上觀察太空和向下觀察地球。實施這些陣列取決于連接高精度光學時鐘，我們的結(jié)果表明我們現(xiàn)在擁有能夠做到這一點的工具。”

實驗表明，該團隊的最新發(fā)明時間可編程頻率梳可以發(fā)送和接收光學時鐘提供的高頻時間信號，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。

“時間可編程頻率梳的擴展功能讓我們能夠進行這些測量，”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衛(wèi)星而不會在傳輸過程中迷路，該團隊在相距 150 公里的兩座山上設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。將時間可編程頻率梳狀光發(fā)送到 Haleakala 并接收反射表明，與進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，而且即使在同步設備所需的最低信號強度下也能成功——物理學家稱之為“量子極限”的強度。正如他們在之前的工作中所展示的那樣， 研究人員的時間可編程頻率梳能夠在這個量子極限下運行，只有不到十億分之一的光子到達其目標設備。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保持高水平的性能，”辛克萊說。“這個系統(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|分之一時運行良好，而且在我們損失的光量迅速變化時也能正常運行，這預示著未來傳感網(wǎng)絡的時間主干。”

展望未來，NIST 團隊正在努力減小其系統(tǒng)的尺寸、重量和功率，并使其適應移動平臺。

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