精确同步的时钟为新科学铺平道路

从 17 世纪的摆钟到基于原子跃迁的尖端天文钟，人类标记时间的能力已经发生了巨大的发展。研究人员现在更进一步，证明两个时钟可以在数百公里的距离内精确同步，所用的功率比以前所需的要少得多。这一进展为创建同步的地面和太空时钟网络铺平了道路，这可以促进对地球结构的大地测量研究地球结构的大地测量研究地球结构的大地测量研究以及寻找暗物质  暗物质和 引力波引力波。

记录数字

“当你有这么多数字时，这很有趣。”

除了精英运动员之外，大多数人不会考虑短于一秒的时间。但科罗拉多州博尔德国家标准与技术研究所的物理学家劳拉·辛克莱   (Laura  Sinclair)经常关注一个完全不同的时间领域：飞秒。Sinclair)经常关注一个完全不同的时间领域：飞秒。 一飞秒是十亿分之一秒的百万分之一，即小数点后 15 位。辛克莱说，即使是计算机程序也常常难以处理这种精度水平。“当你有这么多数字时，这很有趣。”

辛克莱和她的同事现在在夏威夷进行了一项实验，利用激光脉冲精确有效地将两个时钟同步到阿秒（甚至更短的飞秒）水平。

另一个研究小组最近在 113 公里的距离上 展示了类似的连接，但他们的实验需要大量的电力和专门的仪器来补偿大气湍流。

在新的实验中，辛克莱和她的合作者在莫纳罗亚天文台 莫纳罗亚天文台进行工作，该天文台是夏威夷大岛莫纳罗亚山北侧的一个大气研究站。该团队向毛伊岛哈雷阿卡拉山顶的小型望远镜发射了两束激光，每束激光每秒产生 2 亿次光脉冲。望远镜经过改进的光学系统将光线反射回莫纳罗亚火山，往返行程大约为 300 公里，辛克莱和她的同事记录了各个脉冲的到达时间，其功能就像一个非常精确的时钟的“滴答声”。

就像 在莫纳克亚山附近工作的天文学家 一样，研究人员主要在夜间收集数据。但辛克莱和她的同事们并不希望避免阳光。相反，该团队试图避开云层。每天早上，云层往往会上升到莫纳罗亚天文台的高度（大约 3,400 米），然后在下午 5 点到 10 点之间最终沉回天文台下方。辛克莱说，微弱的激光束无法与云层相媲美。“一百五十公里的云层足以阻挡你的近红外激光束。”

研究人员以 0.32 飞秒（320 阿托秒）的精度同步了两个激光器的输出。这与采用不同方法获得的精度 相当，但辛克莱和她的合作者使用的激光器的功率仅为 270 飞瓦，即十亿分之一瓦的百万分之 270。以前需要数十纳瓦的功率，因此这些新结果表明功耗提高了大约 10,000 倍。

“真正令人印象深刻的是他们使用的电力非常少。”

这种效率接近所谓的量子极限，使得使用更小的硬件同步时间成为可能，这一进步对于有一天连接地面时钟和位于远离地球的轨道上的时钟至关重要。

辛克莱和她的同事开发了一种称为 时间可编程频率梳的仪器，使这一进步成为可能。辛克莱说，该设备改变了激光脉冲的速率。“我们可以以阿秒级的精度动态调整输出时间和相位。” 这反过来又使研究人员能够使用接收到的所有光来同步脉冲信号，而不是像以前那样丢弃大部分光。当实验浪费光时，就需要发送更多光子，这需要电力。辛克莱和她的团队在《自然》杂志上报告了他们的结果 

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“真正令人印象深刻的是他们使用的能量是如此之少，”珀斯西澳大利亚大学的物理学家 戴维·戈扎德（David Gozzard）说，他没有参与这项研究。他说，减少功耗很重要，因为与同步时钟相关的所有设备都可以变得更加精简。“您的系统可以更小、更轻。”

地球科学时钟

未来，辛克莱和她的同事希望同步位于地面和距地球表面约 36,000 公里的地球同步轨道上的时钟。研究小组表示，这将开启基础物理学、地球和空间科学等各种有趣的研究。

例如，广义相对论的原则之一是 不同引力场中的时钟以不同的速率累积时间。通过同步地球不同地区的时钟——使用卫星上的中间时钟，视线可以到达所有地面时钟——然后观察这些时钟如何去同步，就可以准确地探测地球引力场的微小变化。这种变化通常是由于水和岩浆运动等地球物理过程造成的。“你有大量的东西在移动，”戈扎德说。精确计时的实验可以帮助揭示这些环境变化。