國家授時中心實現(xiàn)50公里光纖雙向量子時鐘同步

  據(jù)光子盒報道，遠距離時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，光纖是進行精確時間和頻率傳遞的有利通道。進一步配合量子技術(shù)，光纖量子時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。

  為了進一步證明該技術(shù)在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢，中國科學(xué)院國家授時中心首席科學(xué)家張首剛和研究員董瑞芳帶領(lǐng)研究團隊在兩種光纖距離(7公里的現(xiàn)場光纖鏈路和50公里的實驗室光纖鏈路)上[1]進行了兩次時鐘同步性能測試。

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

  董瑞芳研究員說：“這項實驗證明了雙向量子時鐘同步在提高同步性能方面的巨大潛力。”

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

來源：中科院國家授時中心

  同時，該團隊在實驗室光纖上演示了光纖雙向量子時鐘同步實驗，距離達到50公里。他們使用公共參考時鐘，在57300秒時實現(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。使用獨立參考時鐘，結(jié)合微波頻率轉(zhuǎn)換技術(shù)也實現(xiàn)了相當(dāng)?shù)男阅埽?7300秒時的穩(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鐘同步的示意圖。來源：中科院國家授時中心

  董瑞芳研究員說：“實驗中取得的成果為雙向量子時鐘同步在城域光纖鏈路上實現(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。