光學時鐘網絡，在精確導航、重新定義“秒”的基本單位以及萬有引力測試中，都有相關應用。由于最先進的光學時鐘的頻率不穩定性已經達到了10^?19水平，要實現類似性能的全球規模光網絡，需要在具有類似10^?19不穩定性的遠程自由空間鏈路上傳播時間和頻率。

然而，以前對時間和頻率的高精度自由空間傳播的嘗試，沒有超過幾十公里。

在此，來自中國科學技術大學的姜海峰&張強&潘建偉等研究者，報告了在10,000 s內通過113千米的自由空間鏈路，時頻傳播的偏移量為6.3×10^?20±3.4×10^?19，不穩定性小于4×10^?19。相關論文以題為“Free-space dissemination of time and frequency with 10^?19 instability over 113?km”于2022年10月05日發表在Nature上。

時間是國際單位制(SI)的七個基本單位之一。自2020年4月以來，其他五個基本單位，也一直依賴于時間和頻率單位，因為它可以實現精度和穩定性。事實上，最先進的光學時鐘已經證明了最精確的頻率參考，可達到10^-19的局部水平。為了遠程訪問參考光學時鐘并建立全球規模的網絡，還需要以類似10^-19的精度遠距離傳播時頻。預計通過傳播技術連接的光學時鐘網絡，將打開許多令人興奮的應用的可能性，包括“秒”單位的下一代定義，廣義相對論的檢驗，探測物理常數的變化，尋找引力波和暗物質，以及遠程量子網絡等。

到目前為止，通過光纖鏈路的光載波相位傳輸已達到1000公里以上，在100秒時的穩定性為10^-19。然而，這種方法，可能使它難以到達某些地點，如山區、海洋環境、洲際和星際范圍。特別是要建立全球范圍的網絡，必須發展自由-空-時-頻傳播。為此目的，前人進行了若干開拓性的工作，包括提出許多復雜技術的工作，如實時同步、多普勒速度校正和載波相位操作。然而，之前的工作只達到了16公里的距離，這限制了在許多長距離場景中的應用。同時，現有技術，不能滿足未來星地時頻傳播對鏈路損耗的高要求。

與光纖通道相比，對流層區域的自由空間通道，由于受到大氣干擾而更加不穩定，這可能導致頻繁的信號丟失。因此，傳播系統需要較大的歧義范圍，才能使鏈路重連時不積累錯誤。用于時頻連接的連續波(CW)激光載波，通常具有幾飛秒的模糊范圍，這太小，因而無法避免信號丟失后的周滑移。基于脈沖激光的測距方法，包括激光鏈路時間傳輸(T2L2)和歐洲激光計時(ELT)，具有足夠長的模糊范圍；然而，用光電二極管或單光子探測器進行振幅檢測，通常將鏈路的不穩定性限制在皮秒級。

在此，為了克服這些挑戰，研究者開發了一種基于光學頻率梳(OFC)的鏈路，它結合了高精度光學相位檢測和大模糊范圍的特點。線性光學采樣(LOS)，在整個模糊范圍內提供飛秒精度。通過使用1w OFCs和納米瓦級LOS模塊，研究者實現了113公里自由空間鏈路上的時頻傳播，并在10,000 s時獲得了低于4×10^?19的穩定性。實現這一成就的關鍵技術包括：部署高功率頻率梳、高穩定性和高效率光收發系統和高效線性光采樣。研究者觀察到，所達到的穩定性，在信道損耗達到89 dB時，仍然保持不變。這里報告的技術，不僅可以直接用于地面應用，而且可以為未來衛星時頻傳播奠定基礎。

圖1. 實驗裝置

圖2. 113公里自由空間連接的特征

圖3. 時頻傳遞的實驗結果

綜上所述，研究者在113公里的自由空間鏈路上實現了時頻傳播。在長時間平均時間下，鏈路的TDEV在1 fs左右，10,000 s時相對不穩定性在4×10^?19以下，而鏈路損耗高達89 dB。幾個關鍵技術，特別是瓦級OFCs，使用正交偏振方案分離接收和發射光和高靈敏度LOS探測，已經被使用和驗證，這打開了衛星-地面時頻傳播的路徑。

在這些技術的基礎上，研究者預計長途自由空間OFC鏈路，結合基于光纖和基于衛星的時頻鏈路，將成為未來光時鐘網絡的重要組成部分。多普勒效應將是未來衛星的一個挑戰，因為相關的傳輸不對稱。先前的一項研究表明，在低多普勒速度下，如24 m s^?1，該鏈路具有10^?19的不穩定性，大多普勒速度條件仍需進一步研究。

據悉，潘建偉院士團隊，截止2022年10月06日，共發表了2篇nature和Science，其他的如下：

此外，截止2022年10月06日統計，潘建偉院士團隊在Nature和Science共計發表了24項重要研究成果。