QST编辑优选：基于自由空间-光纤混合链路的量子双向时间传递
文章介绍
Xiao Xiang (项晓), Bingke Shi (师冰轲), Runai Quan (权润爱), Yuting Liu (刘妤婷), Zhiguang Xia (夏志广), Huibo Hong (洪辉博), Tao Liu (刘涛), Jincai Wu (吴金才), Jia Qiang (强佳), Jianjun Jia (贾建军), Shougang Zhang (张首刚), and Ruifang Dong (董瑞芳)
通讯作者：
- 董瑞芳，中国科学院国家授时中心
- 贾建军，中国科学院上海技术物理研究所
- 张首刚，中国科学院国家授时中心
研究背景：
高精度时间频率系统在精密计量、深空探测、卫星导航、引力波探测等前沿科学研究和重大工程应用中发挥着举足轻重的作用。时间传递系统作为时间频率体系的重要组成部分，决定了时间频率应用的最终精度。基于双向时间传递基本原理，结合能量-时间纠缠双光子源的强时间相关特性，量子增强的双向时间传递(Q-TWTT)已在数十公里光纤上达到了飞秒量级的同步精度，并趋于长距离、实用化方向发展。面向星地空间应用中高精度的时间同步需求，量子时间传递系统亟需向自由空间链路拓展。本文在两个自由空间视距约2公里、光纤距离7公里的站点之间开展自由空间-光纤混合链路的量子双向时间传递实验演示，迈出了自由空间量子时间同步的关键一步，为其在天地一体时频网络中的应用奠定基础。
研究内容：
图1 实验装置图
自由空间-光纤混合链路量子双向时间传递系统主站(MS)和远程站(RS)分别位于中国科学院国家授时中心临潼园区和骊山天文台，二者直线距离约为2公里。两个站点均安装有光学终端 (OTA&OTB)，用于构建自由空间双向光链路，上行和下行链路损耗分别为23dB和27dB。同时，两个站点之间部署了长度7公里的通信光纤，损耗为2.5dB。能量-时间纠缠双光子源、原子钟及相关单光子探测装置均放置于主站，配合两个光学环形器 (OC1&OC2), 自由空间上行（光纤下行）与光纤上行（自由空间下行）光子均返回主站进行双向时延测量与分析。
图2 双光子符合测量相关参数统计
双光子符合测量结果直接反映了可达到的时间传递精度。理论表明，可以通过减小双光子符合宽度和增加有效双光子计数率提升时间传递精度。图2对比了光纤色散消除和自由空间信道损耗优化前后的双光子符合测量结果。通过优化光纤链路的非定域色散消除，双光子符合宽度从~170ps减小至~120ps (图2(a))；通过调整光学终端中的光学对准装置减小自由空间信道损耗，测量到的上行链路双光子计数率提升1倍（图2(b)）。根据理论计算的时间偏移标准差如图2(d)所示，预期标准差可达到1ps水平。
图3 时间偏差测量结果
在光纤色散消除和自由空间信道损耗最优条件下，量子时间传递稳定度（以时间偏差（TDEV）表示）达到1.71ps@50s，144fs@6400s，测量结果如图3所示。经过10s平均时间后，自由空间-光纤混合链路量子双向时间传递的稳定度优于现有空间微波钟，可满足空间微波钟之间时间比对与同步需求。
作者介绍
董瑞芳 研究员
中国科学院国家授时中心
- 董瑞芳，中国科学院国家授时中心研究员，主要从事量子时间同步和高精度时间频率传递研究。迄今在Nature Physics、Science Bulletin、Photonics Research等学术期刊发表论文134篇，出版专著《基于激光的高精度时间频率传递和测距技术》。入选国家高层次人才计划“青年拔尖人才”、陕西省中青年科技创新领军人才、中国科学院三八红旗手；获第十四届陕西省青年科技奖。
贾建军 研究员
中国科学院上海技术物理研究所
- 贾建军，中国科学院上海技术物理研究所研究员，国科大杭州高等研究院双聘教授，引力波宇宙太极实验室副主任。长期从事空间主动光电与量子精密测量、空间大口径望远镜、空间引力波探测技术研究。多次荣获中国光学工程学会科技创新产品一等奖、二等奖，获美国科学促进会“克利夫兰”奖章、上海市标准化优秀技术成果一等奖。
张首刚 研究员
中国科学院国家授时中心
- 张首刚，中国科学院国家授时中心研究员，围绕自主、安全和高性能的国家时频体系发展，长期从事量子时间测量、天文时间测量和时间频率传递研究，授权中外发明专利89件，发表学术论文269篇，合作专著2部。目前作为首席科学家，承担着“空间站高精度时频实验系统”和国家重大科技基础设施“高精度地基授时系统”研制任务。
期刊介绍
- 2022年影响因子：6.7 Citescore：11.6
- Quantum Science and Technology（QST）是一本多学科、高影响力的期刊，致力于出版涵盖所有量子技术科学和应用的高质量和重要的研究。QST涵盖应用数学、凝聚态物质、量子光学、原子物理和材料科学的各个领域，并涉及到化学、生物学、工程学、计算机科学和机器学习。除了定期的原创研究外，QST还出版专题综述和征集热点问题文章的特刊，从而对该领域最新和最有趣的研究进行概述。