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图 百公里高精度时频传递实验示意图
在国家自然科学基金项目（批准号：T2125010、61825505）等资助下，中国科学技术大学潘建伟教授、张强教授等与上海技物所、新疆天文台、中科院国家授时中心、济南量子技术研究院和宁波大学等单位合作，在国际上首次实现了百公里级的自由空间高精度时间频率传递，有效验证了星地链路高精度光频标比对的可行性，向建立广域光频标网络迈出重要一步。该成果以“在超过113公里自由空间中实现优于10-19稳定度的时间和频率传递（Free-space dissemination of time and frequency with 10-19 instability over 113 km）”为题发表在《自然》（Nature）杂志上，论文链接为：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05228-5。
近年来，基于超冷原子光晶格的光波段原子钟（光钟）的稳定度已进入E-19量级，将形成新一代的时间频率标准（光频标），结合广域、高精度的时间频率传递可以构建广域时频网络，将在精密导航定位、全球授时、广域量子通信、物理学基本原理检验等领域发挥重要作用。进一步，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，有望在引力波探测、暗物质搜寻等物理学基本问题的研究方面产生重大应用。
然而传统的基于微波的卫星时频传递稳定度仅有E-16量级，不能满足高精度时频网络的需求。虽然基于光频梳和相干探测的自由空间时频传递技术稳定度可以达到E-19量级，是高精度时频传递的发展趋势，但此前国际上的相关工作信噪比低、传输距离近，难以满足星地链路高精度时频传递的需求。
本工作中，研究团队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；基于低噪声平衡探测和集成干涉光纤光路模块，结合高精度相位提取后处理算法，实现了纳瓦量级的高灵敏度线性光学采样探测，单次时间测量精度优于100飞秒；进一步提升了光传输望远镜的稳定性和接收效率。在上述技术突破的基础上，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，时间传递万秒稳定度达到飞秒量级，频率传递万秒稳定度优于4E-19，系统相对偏差为6.3E-20±3.4E-19，系统可容忍最大链路损耗高达89dB，远高于中高轨星地链路损耗的典型预期值（约78dB）（图）。
综上，本工作解决了百公里级高精度时间频率传递这一难题，充分验证了星地链路高精度光频标比对的可行性，为构建广域时频网络，服务量子通信、精密导航、全球授时等应用奠定了良好基础。