光速传感器工作原理及应用（千亿年误差小于1秒）

生活中处处离不开时间上的应用，科学方面更是如此，比如我们使用导航定位，如果卫星和地面时间差了一秒，那么地面距离上的误差就得以公里计，所以我国北斗三号导航卫星上使用的氢原子钟精度为运行300万年才会差一秒。

其实科学家从未放弃过对精准计时的追求，那么如今世界上最精确的计时方式有多精确呢？近日我国济南量子技术研究院通过新技术实现了飞秒量级的精确计时，时间频率传递万秒稳定度优于4E-19，这么高的精度相当于运行每一千亿年的时间误差不到一秒。

10月12日，《大众日报》等媒体报道了我国山东济南量子技术研究院的张强、陈法喜教授与中国科学技术大学潘建伟团队等合作，利用大功率低噪声光梳、高灵敏度高精度线性采样、高稳定高效率光传输等技术，首次实现了百公里级的自由空间高精度时间频率传递实验，结果显示时间传递稳定度达到飞秒量级（一飞秒等于1000亿分之一秒），频率传递万秒稳定度优于4E-19，这个精度相当于时钟以这个频率走上一千亿年，时间上的误差还不到一秒。

如何做到了如此精确的计时呢？研究团队在新疆乌鲁木齐成功实现了113公里自由空间时频传递，团队创新性地发展了全保偏光纤飞秒激光技术，实现了瓦级功率输出的高稳定光频梳，充分验证了星地链路高精度光频标比对的可行性，为建立广域光频标网络打下了基础。

这一时间精度新技术试验利用基于低噪声平衡探测和集成干涉光纤光路模块，结合了高精度相位提取后处理算法，从而实现了纳瓦量级的高灵敏度线性光学采样探测，时间传递万秒稳定度达到飞秒量级，数据显示单次时间测量精度优于100飞秒，频率传递中万秒稳定度已优于4E-19，可计算的系统相对偏差为6.3E-20±3.4E-19，而系统可容忍最大链路损耗高约89dB，高于中高轨星地链路损耗的约78dB典型预期值，能满足目前最高精度光钟的时间传递要求，具有很大的应用价值。实际上基于如此精度的时间频率传递将能构建广域时频网络，并且在精密导航定位、雷达探测、全球授时、广域量子通信、天文研究、微观探测等领域发挥作用。

这次计时实验还被认为是首次在毫米尺度验证爱因斯坦广义相对论，相关研究成果已发表于著名学术期刊《自然》杂志上，并且是作为封面文章发布的。审稿人高度评价了这项研究，认为其“是星地自由空间远距离光学时间频率传递领域的一项重大突破，将对暗物质探测、物理学基本常数检验、相对论检验等基础物理学研究等方面产生十分重要影响。”

其实如今科学家们在计时精度的研究上倾向于使用基于超冷原子光晶格的光波段原子钟，这种光钟的稳定度已进入E-19量级，这意味着时间上的“秒”的定义可能将重新改写，因为当全球尺度时频传递的稳定度达到E-18量级时，就可形成新一代的“秒”定义。

如今国际上对“秒”在时间段上的定义是：当铯-133原子位于海平面高度（一个大气压），并处于非扰动基态时，两个超精细能级间跃迁对应的辐射频率ΔνCs以Hz(即等于s-1)为单位表达时，选取其固定数值的9192631770倍来定义的。

但这个定义还是1967年作出的，并且还有规定当全球尺度时频传递的稳定度达到E-18量级时，就可形成新一代的“秒”定义，而如今光钟稳定度已进入E-19量级，所以预估在下一次国际计量大会（2026年）召开时将讨论“秒”的新定义，我国济南量子技术研究院此次得出的4E-19量级的计时或将会成为重要参考。

不过4E-19量级的计时还并不是该团队所使用的计时技术的精度极限，因为远离地球的高轨空间具有更低的引力场噪声环境，光频标和时频传递的稳定度理论上能够进入E-21量级，也就是达到10万亿年误差一秒的量级，如果在仪器和技术上能够做到精度更高，那么计时精度也能提高百倍。如果能将这样的计时精度应用在导航定位上，误差将缩小到微米级，用在引力波探测、暗物质搜寻等天文学研究上，也将能迎来革新性的变化。

参考资料：

《大众日报》10月12日文章《国际首次！济南量子技术研究院合作实现百公里自由空间高精度时间》