高精度时间频率传递与比对研究

In recent years, the rapid development of high-precision time-frequency technology, especially the optical clock technology in China, provides the foundation for the establishment of high-precision space-time framework. In order to carry out the basic physical theory test, dark matter detection, international atomic time establishment, new generation of satellite navigation and other important basic science and application , it is urgent to develop the technology of long-distance and high-precision time-frequency transfer and comparison. The technology of precise noise detection and suppression in the long-haul fiber link will be under research. The frequency transfer stability of the optical fiber in the field of more than 1000 km is expected to reach the level of E-19/d magnitude.The precision frequency control of wide-spectrum optical frequency comb will be studied. The wavelength range of comb will cover the requirements of Sr, Yb, Ca+ and Al+ clocks, and the frequency control accuracy is expected to be better than E-19/d. This project will also work on extending the distance of the direct time and frequency transfer based on the optical comb, and laid the foundation for the practical application of longer distance. To provide a new promising approach for the future establishment of International Atomic Time TAI and Joint Atomic Time of China JATC, the quantum time synchronization beyond classical limitation will be under research, the accuracy of sub-picosecond of time synchronization will be experimental demonstrated. Through this project, the highest precision time frequency transfer and comparison will be developed for the investigation of distant optical clocks and the precision measurement physics.

近年来，我国高精度时频技术，尤其是光钟技术的快速发展，为建立空天地一体化的高精度时空基准提供了基础。为开展基本物理理论检验、暗物质探测、国际原子时建立、新一代卫星导航等重要基础科学与应用技术研究，亟需发展长距离高精度时间频率传递与比对技术。本项目将研究长距离光纤链路中的噪声探测与抑制技术，在1000公里以上实地光纤上频率传递稳定度达到E-19/d量级，满足异地光钟频率传递需求。研究宽谱光梳精密频率控制技术，波长范围满足Sr、Yb、Ca+、Al+等不同元素光钟频率比对需求。拓展基于光梳的直接时间频率传递技术，为更长距离的实际应用奠定基础。深入研究前沿的量子时间同步技术，实验上演示亚皮秒的时间同步精度，为国内综合原子时和国际原子时TAI的建立提供新方法。通过本项目研究，为异地不同光钟比对以及精密测量物理实验的开展，提供最高精度的时间频率传递和比对系统解决方案。

近年来，我国高精度时频技术，尤其是光钟技术的快速发展，为建立空天地一体化的高精度时空基准提供了基础。为开展基本物理理论检验、暗物质探测、国际原子时建立、新一代卫星导航等重要基础科学与应用技术研究，亟需发展长距离高精度时间频率传递与比对技术。.本项目为期三年，项目组按计划书要求开展了相关任务研究，已取得的主要成果有：.1) 建立了一套满足实际运行环境需求的飞秒光梳系统，频率控制精度为6.8E-20@20000s；获得对应光钟频率的光梳信号，工作范围覆盖578nm-1070 nm，与各光钟频率对应的光梳单模能量大于100nJ，达到项目指标要求。.2) 实现了千公里两级级联实地光纤光学频率传递，通过对光纤链路噪声分段控制，有效提高了相位控制带宽，实现千公里链路频率传递稳定度1E-19/4000s，达到项目指标要求。.3) 完成了500km光纤光梳频率传输的研究。通过光滤波器与色散补偿光纤相结合，实现的频率传递稳定度为7.32×10-18@10000s，达到项目指标要求。.4) 在国家授时中心临潼园区与骊山天文台之间建立了一条长度约为2km的自由空间激光链路，初步开展了自由空间量子时间同步实验。建立了50km光纤链路的双向.量子时间同步实验演示系统，获得时间同步稳定度达到54.6fs，优于项目指标要求。.项目共发表学术论文22篇，授权发明专利3项。培养博士9人，硕士6人。.通过本项目研究，为异地不同光钟比对以及精密测量物理实验的开展，提供了最高精度的时间频率传递和比对系统解决方案。