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(chǔ)

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(xué)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(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(xué)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(xué)標準。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超長基線干涉測量法(VLBI)，用于改進黑洞成像等應(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，該團隊的研究論文于 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。實施這些陣列取決于連接高精度光學(xué)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(xué)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(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(shè)備所需的最低信號強度下也能成功——物理學(xué)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(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(yù)示著未來傳感網(wǎng)絡(luò)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(yīng)移動平臺。

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