通过应用 NIST 最近开发的激光频率梳技术，以飞秒精度同步全球时钟可能成为现实。该团队通过在夏威夷两个岛屿上的山脉之间发射频率梳脉冲来测试他们的技术，证明即使信号非常微弱，通过卫星连接时钟所需的保真度。
科学家们现在发现，通过从夏威夷火山发射激光，他们可以在 300 多公里的距离上将原子钟同步到十亿分之一秒（0.32 飞秒或 320 阿秒）。这项新研究结合了过去二十年的一系列发现，这些发现指向具有飞秒精度的同步原子钟卫星阵列，以帮助支持先进的卫星导航和传感器网络，以找到从隐藏的地下结构到暗物质的一切。
原子钟是迄今为止最精确的计时器。“时间是人类可以最精确地测量的物理量，”该研究的合著者、科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所(NIST) 的物理学家内森·纽伯里 (Nathan Newbury) 说。
这项新工作将当前最先进的卫星时间同步技术提高了 10,000 倍。
落地钟通过跟踪摆动的钟摆来计时，而原子钟则监测原子的量子振动。光学原子钟使用相交的激光束捕获和监测原子，目前精确度可达 1 阿秒，即十亿分之一秒。
纽伯里说：“这意味着，如果这些时钟在大爆炸之后立即开始运行，那么自那以后的 137 亿年里，它们的漂移时间将不到一秒。”
除了计时之外，原子钟还有许多可能的应用。例如，它们是GPS（全球定位系统的缩写）和其他 GNSS（全球导航卫星系统）所依赖的精确定时信号的关键，以帮助用户精确定位自己的位置。
此外，原子钟中的原子对任何形式的干扰都非常敏感，例如地球的引力。这意味着，通过车辆或卫星在地球上空行驶的移动原子钟可以绘制出由于石油、矿物质和水等隐藏的密度异常而导致的地球引力场强度在其表面上的变化。原子钟甚至可以用于更深奥的工作，例如寻找暗物质，研究人员认为暗物质是一种看不见的、基本上是无形的物质，占宇宙中所有物质的六分之五。
原子钟如何同步？
为了在这些应用中使用原子钟网络，科学家需要保持它们同步。通过光纤电缆或空气传输的激光信号可以帮助将光学时钟连接在一起。然而，这种光时间传输面临着在电缆附近的振动和温度波动以及空气湍流中保持稳定的挑战。
现在，NIST 的研究人员及其同事已经证明，他们可以将相距 300 多公里的光学原子钟同步到 0.32 飞秒。纽伯里说，新发现表明它们可以帮助地面时钟以飞秒精度与 36,000 公里外的地球同步轨道卫星进行同步。这比现有最先进的卫星方法好一万倍。
在实验中，科学家们在夏威夷岛的莫纳罗亚火山和毛伊岛的哈雷阿卡拉火山之间传输信号。这些时钟都驻扎在莫纳罗亚山侧翼的高处天文台，以帮助研究小组监控这些设备，红外激光信号被哈雷阿卡拉山顶的反射器反射。火山相距约 150 公里，激光信号的往返距离约为 300 公里。
研究人员能够达到量子极限——保持时钟同步所需的最低信号强度。
新发现依赖于“光学频率梳”，每个梳子将来自单个激光器的光脉冲转换为一系列时间上等间隔的脉冲，并由不同的、等间隔的光频率组成，有点像牙齿梳子。通过测量光链路两端的时钟组和光梳发送的脉冲到达时间的差异，科学家可以计算时钟之间的时间差，以了解它们与同步的接近程度。通过链路同时从两个梳发送脉冲可以消除由于电缆或空气而导致的定时精度下降。
2022年，中国研究人员利用光频梳在新疆两山之间实现了113公里的光时间传递。然而，这项工作依赖于配备复杂光学系统的高功率光学频率梳和望远镜。
相比之下，新研究使用的梳子所需的输出功率低至 40 微瓦，比激光笔的输出功率低约 30 倍，“发射”功率比之前的尝试低 25,000 倍。这意味着该装置还需要具有不太复杂的光学器件的较小望远镜。
纽伯里说：“这意味着，在规划未来的地地同步轨道链路时，我们可以规划适度的孔径和发射功率，从而降低未来实验的成本、尺寸、重量和功率。”
这些发现是在研究团队的一项新发明——时间可编程频率梳的帮助下实现的。之前的工作使用的梳子被设置为以不同的固定速率脉冲。尽管这些速率时不时地对齐以帮助检测时钟之间的任何时间差异，但来自梳子的大多数脉冲不同步，因此被浪费了。相比之下，新的时间可编程频率梳可以让科学家精确地修改他们的脉冲速率，以快速使它们同步。
总而言之，在数字信号处理的帮助下，科学家们能够以比之前尝试低一万倍的接收功率来同步时钟，只有不到十亿分之一的光子到达目标。这揭示了新技术在量子极限下运行——保持设备同步所需的最低信号强度。
“即使超过一半的时间接收功率低于我们的检测阈值，时间传输系统仍然可以获取定时信号，然后同步两个站点，”纽伯里说。
科学家们现在的目标是减小系统的尺寸、重量和功率，以帮助其移动。此外，为了让它在卫星中得到应用，“我们需要扩展这个系统，使其能够在高速移动的平台上工作”，因为带有这些时钟的卫星相对于彼此的速度可能高达每小时 36,000 公里，纽伯里说。
