國家授時(shí)中心實(shí)現(xiàn)50公里光纖雙向量子時(shí)鐘同步

  據(jù)光子盒報(bào)道，遠(yuǎn)距離時(shí)鐘之間的精確同步在幾乎所有類型的精密測量中起著至關(guān)重要的作用。與基于衛(wèi)星的傳統(tǒng)方法相比，光纖是進(jìn)行精確時(shí)間和頻率傳遞的有利通道。進(jìn)一步配合量子技術(shù)，光纖量子時(shí)鐘同步在提高精度和提供更好的安全保障方面顯示出巨大的潛力。

  為了進(jìn)一步證明該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢，中國科學(xué)院國家授時(shí)中心首席科學(xué)家張首剛和研究員董瑞芳帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)在兩種光纖距離(7公里的現(xiàn)場光纖鏈路和50公里的實(shí)驗(yàn)室光纖鏈路)上[1]進(jìn)行了兩次時(shí)鐘同步性能測試。

  研究成果分別發(fā)表在Optics Express[2]和Journal of Lightwave Technology[3]上。

  通過7公里長的光纖，在位于國家授時(shí)中心園區(qū)內(nèi)的氫脈澤和位于驪山天文臺(tái)的銣鐘之間進(jìn)行雙向量子同步的現(xiàn)場測試，結(jié)果表明，短期同步穩(wěn)定度達(dá)到了銣鐘對氫脈澤的固有頻率穩(wěn)定度，在30秒時(shí)測量為32皮秒。在7680秒時(shí)，長期同步穩(wěn)定度達(dá)到19.3皮秒。

  董瑞芳研究員說：“這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了雙向量子時(shí)鐘同步在提高同步性能方面的巨大潛力?！?

  圖1 國家授時(shí)中心(NTSC)的氫脈澤和驪山天文臺(tái)(LSO)的銣鐘之間的現(xiàn)場雙向量子時(shí)鐘同步實(shí)驗(yàn)裝置的(a)鳥瞰圖和(b)示意圖。

來源：中科院國家授時(shí)中心

  同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室光纖上演示了光纖雙向量子時(shí)鐘同步實(shí)驗(yàn)，距離達(dá)到50公里。他們使用公共參考時(shí)鐘，在57300秒時(shí)實(shí)現(xiàn)了54.6飛秒的同步穩(wěn)定度和1.3皮秒±36.6皮秒的精度。使用獨(dú)立參考時(shí)鐘，結(jié)合微波頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)?shù)男阅埽?7300秒時(shí)的穩(wěn)定度為89.5飛秒。

注：1飛秒等于1秒的一千萬億分之一，1皮秒等于1000飛秒。

圖2 50公里光纖鏈路上量子時(shí)鐘同步的示意圖。來源：中科院國家授時(shí)中心

  董瑞芳研究員說：“實(shí)驗(yàn)中取得的成果為雙向量子時(shí)鐘同步在城域光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)飛秒級(fs)的精確同步提供了光明的前景?！?

  這些成果展示了雙向量子時(shí)鐘同步在提高基于城域光纖鏈路的現(xiàn)場應(yīng)用的同步精度方面的潛力。