物理学家潘建伟和他的同事在重新定义秒这项工作上取得了里程碑式成果。

物理学家们设计了一种方案，可以极其精确地同步两个时钟在空间中的走时，其距离达到了前所未有的113公里。

这一壮举使得我们离利用光学时钟重新定义秒又近了一步——这一计时方式比目前基于协调世界时（UTC）的原子钟精确100倍。

计量学家希望在2030年使用光学时钟重新定义秒。但是，阻碍他们的一个重要问题是，科学家需要找到一种可靠的方法在各个大陆的实验室的光学时钟之间传输信号，以比较它们的输出结果。在实践中，这可能意味着我们需要通过空气和太空将时钟的时间传输到卫星。这是一个巨大的挑战，因为大气会干扰信号。

由中国科学技术大学物理学家潘建伟领导的团队成功地在中国新疆相隔113公里的站点之间发送了精确的激光脉冲。这是之前记录（16公里）的7倍。

西澳大利亚大学实验物理学家大卫 · 戈扎德（David Gozzard）说，2022年10月5日发表在《自然》杂志上的这项成果“十分杰出”。他补充说，在这种距离上实现如此高的同步效果是“在卫星和地面之间传输信息的重大进步”。

下一代时钟

自1967年以来，“秒”一直是由铯 -133 原子钟定义的：铯原子在特定态之间转换时会吸收和释放微波辐射，辐射震荡9 192 631 770周的时间就是 1 秒。如今，光学时钟使用锶和镱等元素的更高频率，使其能够将时间切分成更精细的部分。

但是，标准时间不能仅使用一种时钟来生成。计量学家必须将全球数百个时钟的结果平均起来。对于铯钟来说，时间可以通过微波信号传输，但微波辐射太低，无法传达光钟的高频信号。

通过空气发送光波信号并不像发送微波那么容易，因为空气中的分子很容易吸收光，从而大大降低信号的强度。此外，湍流可以使激光束偏离目标。为了比较光学时钟的结果，物理学家迄今为止主要依靠光纤电缆传输信号，或者运输笨重、复杂的钟表，将它们并排比较。但是，这些方法对于构建能重新定义秒的全球性光钟网络而言并不适用。

戈扎德说，潘建伟的团队在之前技术攻关的基础上取得了成功。为了产生信号，研究人员使用光学频率梳——一种产生极其稳定和精确的激光脉冲的设备——并使用高功率放大器提高输出，以最大限度地减少脉冲在空气中传播时的信号损失。该团队还调整和优化了接收装置，以便它们可以接收低功率信号并自动跟踪入射激光的方向。

该团队使用两种波长的可见光传递时间间隔，并通过光纤传输另一种波长的光。通过比较接收器收到信号之间的微小差异，研究人员表明，当在数小时内测量时，它们可以以足够高的稳定性传播时间，误差为大约每800亿年损失或增加一秒钟。其精度水平与光学时钟相当。

还差一步

戈扎德说，虽然这种方法是人类目前掌握的稳定度最高的传递技术，但它还需要进一步改进，以匹配最佳的光学时钟的稳定性。

另一个限制是，实验是在具有最佳大气条件的偏远地区进行的。湿度相当低，空气湍流可能比传统城市地区更安静。今后需要检查该方法在其他地方的表现。

英国泰丁顿国家物理实验室物理学家海伦 · 马戈利斯（Helen Margolis）说，这一实验能很好地体现把这类信号传去太空的效果。她说，预计地面上超过113公里的湍流与从地面到卫星的湍流相当。

戈扎德说，基于卫星的传输将面临进一步的障碍——时钟将以高速运行，这会改变其信号的频率。

潘建伟说，这是他的团队接下来将面临的挑战之一。该团队以前为量子通信卫星开发了技术，现在正在使用这些技术来开发在地球静止轨道和地面的光学时钟之间进行传输的方法。

潘建伟补充说：“在太空中使用光学时钟，可能为基础物理学提供新的探索工具，例如可以用来寻找暗物质和引力波。”

资料来源 Nature

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本文作者伊丽莎白·吉布尼（Elizabeth Gibney） 是《自然》高级记者，主要报道物理学新闻