原文作者：Elizabeth Gibney

物理學家潘建偉和他的同事在重定義秒的工作上達成了重要里程碑。

物理學家設計出了一種以極高精度通過大氣對準兩塊鐘的方式，并使兩塊鐘的距離達到了破紀錄的 113 公里。

光鐘比目前定義協調世界時（UTC）所使用的原子鐘還要精確 100 倍，而這次的里程碑朝著用光鐘重新定義秒的目標更近了一步。

計量學家希望能在 2030 年使用光鐘重新定義秒，但擺在他們面前的一個障礙是，他們必須以一種非?？煽康姆绞皆诳缰揠H實驗室的光鐘之間傳遞信號，從而比對它們的輸出信號。在實際操作中，這可能意味著需要將光鐘的時間經由大氣和空間傳到衛星上。但這種做法困難重重，因為大氣會干擾信號。

中國科學技術大學的物理學家潘建偉率領團隊，在新疆當地相距 113 公里的兩個天文臺之間成功傳輸了精密的激光脈沖信號 [ 1 ] ，這一距離是此前紀錄 [ 2 ] 16 公里的 7 倍。

科學家希望能用光鐘重新定義秒。來源：Julian Stratenschulte/DPA via ZUMA Press

該成果 10 月 5 日發表于《自然》，西澳大利亞大學的實驗物理學家 David Gozzard 對此的評價是 " 極其出色 "。他說，在如此長距離的空間里實現如此高的同步率意味著 " 在實現星地傳遞的方向上取得了顯著進展 " 。

在難以到達的地方實現超精準的時鐘同步對于其他研究領域也具有重要意義，日本電磁波研究所時空標準研究室主任 Tetsuya Ido 說。例如，這些鐘可以用來檢驗廣義相對論——廣義相對論認為時間在重力更強的地方流逝地更慢，例如低海拔地區。他說，比較兩個光鐘走時或能揭示由質量移動——如地殼板塊位移——導致的引力場的細微變化。

下一代時鐘

從 1967 年以來，" 秒 " 一直是由銫 -133 原子鐘定義的：銫原子在特定態之間轉換時會吸收和釋放微波輻射，該輻射震蕩 9192631770 周的時間就是 1 秒。如今，光鐘使用 " 嘀嗒 " 頻率更高的元素，如鍶和鐿，以便將時間切分成更細的分數。

但是，標準時間不能僅靠一臺鐘來決定，計量學家必須將世界上數百臺鐘的時間平均起來。對銫鐘來說，時間可以通過微波信號傳輸，但微波輻射的頻率太低，無法傳遞光鐘的高頻信號。

通過大氣傳輸光學波長的信號并不像傳輸微波信號那么容易，因為空氣中的分子很容易吸收光波，會大幅降低信號強度。更甚之，擾動還會讓激光束偏離目標。為了對光鐘進行比對，物理學家目前主要依賴光纖傳遞信號，或是親自把龐大復雜的鐘運送過去，放在一起并排比對。然而，要想打造能重新定義秒的全球性光鐘網絡，這些辦法就不切實際了。

Gozzard 說，潘建偉團隊在之前數個技術攻關的基礎上取得了這次成功。為了產生信號，研究團隊使用了光學頻率梳——這種裝置能產生高穩定性、高精度的激光脈沖，同時使用高功率放大器增強輸出信號，從而盡量減少激光脈沖在空氣中傳播時損失的信號。團隊還調試并優化了接收器，讓它們可以收到低功率的信號，并自動追蹤激光傳來的方向。

潘建偉團隊用兩種可見光波長傳遞了時間間隔，并另外用光纖傳遞了一份。通過比較接收器所收到的信號之間的細微差別，研究團隊證明，在以小時計的測量中，他們傳播 " 嘀嗒 " 的穩定性可以達到每 800 億年僅誤差 1 秒。這一精確度與光鐘是相當的。

還差一步

雖然這是人類目前掌握的穩定度最高的傳遞技術，但它仍有待改進，才能匹配最好的光鐘所能達到的穩定度，Gozzard 說。

另一個限制是，該實驗是在一片大氣環境條件最佳的偏遠地區完成的，Ido 說，" 當地的濕度非常低，空氣擾動可能也比一般的城市地區要小。" 今后需開展進一步實驗來測試這種方法在其他地區的表現。

不過，英國國家物理實驗室的物理學家 Helen Margolis 說，這次實驗似乎能很好地體現把這類信號傳去太空的效果。她說，地面上相距 113 公里的擾動和地面到衛星之間的擾動差不多。

Gozzard 說，基于衛星的傳遞還有一大阻礙——鐘將在軌道上高速繞轉，這會改變它們的頻率。

潘建偉表示，這正是他們團隊下一步要解決的挑戰之一。團隊此前開發了面向量子通信衛星的技術，現在正在想辦法將這些技術用于在地球同步軌道和地面的光鐘之間傳遞信號。

潘建偉還表示，使用太空中的光鐘，"或能為基礎物理提供新的探索工具，例如搜尋暗物質和探測引力波 "。