“秒”要被重新定義了，潘建偉團隊這項“國際首次”研究功不可沒
研究已發表Nature
金磊 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
家人們，你以為的那個“一秒鐘”，可能不再是你以為的你以為了。
之所以這么說，是因為中國科學技術大學潘建偉團隊完成了一項“國際首次”的研究：
實現百公里自由空間時頻傳遞。
并且這項研究已經在Nature上發表。
根據實驗結果來看，研究有效驗證了星地鏈路高精度光頻標比對的可行性，向建立廣域光頻標網絡邁出重要一步。
對此，中國科學技術大學張強教授表示：
將來如果放在衛星上能做洲際的時間比對，我們就可以實現新一代的“秒”定義。
為什么“秒”要被重新定義了？
咱們現在經常提到的時間概念“秒”，是自1976年以來，一直由銫-33原子鐘來定義的。
原子鐘最初是英國物理學家Louis Esseb創造，它的工作原理是計算原子中的電子自旋的翻轉頻率。
而在1976年這一年，科學家們通過銫-133原子在微波頻率下的跳動，重新定義了這個時間基本單位：
1秒 = 銫原子的電子自旋翻轉9192631770次的持續時間。
雖然說這種方式已經夠精確了，但科學家們似乎卻不滿足于此。
截至目前，自然領域中對時間的測量精度已經步入10-19的量級。
這種量級通俗點來講，就是百億年期間誤差不會超過1秒。
而且時間是目前七大基本物理量中測量最精確的那一個。
但單有最精確的計時還是不夠的，因為它還需要“配套”一個與之精度相匹配的時間傳遞技術。
二者的重要性可以說是畫等號的。
但地面附近自由空間的環境復雜，大氣中的各種擾動、湍流、鏈路損耗、環境變化等因素，給自由空間長距離時頻傳遞帶來了極大困難。
此前，自由空間中的光頻傳輸技術只能實現10公里量級的傳輸。
而潘建偉團隊要攻克的正是這一難題：
- 在光源方面，研制出高功率、高穩定度光輸。
- 在光信號收發信道方面，研制出高穩定性、高效率的光收發望遠鏡系統。
- 還采用線性光學采樣的干涉測量方式，實現了高精度的時間測量。
最終，潘建偉團隊在相隔113公里的新疆南山天文臺和高崖子天文臺之間，實現了萬秒10-19量級穩定度的時頻傳遞。
據張強介紹：
把我們非常精密的這種時間信號，通過這個望遠鏡打到這個100公里以外的另外一個望遠鏡。
那邊的話，然后我的這個信號被那邊的一個同樣的一個望遠鏡接收，接收了之后他們進行一些比較精密的時間探測。
同時那邊也會打一個同樣的一個精密的光源信號也打過來，在這邊也做一個同樣的一個精密探測，然后兩邊的信號再做一個對準，做一個校正。
據了解，該實驗在如此自由空間時頻傳遞過程中：
時間傳遞萬秒穩定度達到飛秒量級，頻率傳遞萬秒穩定度優于4E-19，系統相對偏差為6.3E-20±3.4E-19，系統可容忍最大鏈路損耗高達89dB，遠高于中高軌星地鏈路損耗的典型預期值（約78dB）。
而國際計量組織計劃2026年討論“秒”定義的變更，也正因這項研究成果的實現，張強認為：
如果能夠實現洲際的比對的話，那么我們就可以實現新一代的這個“秒”定義。
與日常生活相關
那么接下來的一個問題便是，這項研究成果會帶來哪些影響？
引用Nature審稿人的評價就是：
該工作是星地自由空間遠距離光學時間頻率傳遞領域的一項重大突破，將對暗物質探測、物理學基本常數檢驗、相對論檢驗等基礎物理學研究產生重要影響。
但除此之外，其實這項研究也與人們的日常生活息息相關。
例如衛星的導航精度與計時精度緊密相關，若是希望定位更加準確（毫米以下），就需要更好的計時精度。
在大地測量、地質勘探、雷達探測等涉及社會民生的領域，精確的時間也都將發揮重要的作用。
那么對于未來新“秒”的定義，你期待了嗎？
參考鏈接：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-022-05228-5
[2]https://weibo.com/2032139271/Mb1zivEhA?type=comment
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/MCbQ6UJFNflzF0VmrtPw4Q
[4]https://tv.cctv.com/2022/10/06/VIDEYEjxB0UTcY85WichtWvz221006.shtml?spm=C45404.PCHhhgX3efBE.Ev0XVtu8CoWN.224
[5]https://ishare.ifeng.com/c/s/v002EZ3vLgfck1LPf29qCKM51b4D1bqKqLDSTFiDq8nGUgw__
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