這些成果展示了雙向量子時鐘同步在提高基于城域光纖鏈路的現(xiàn)場應(yīng)用的同步精度方面的潛力。

雙向時間傳遞(TWTT)是精確比較和同步遠(yuǎn)距離時標(biāo)的常用方法。廣泛使用的基于衛(wèi)星的TWTT已經(jīng)達(dá)到了100皮秒的時間穩(wěn)定度。與無線電輻射相比，光學(xué)TWTT具有更高的頻率和帶寬，可以實現(xiàn)幾皮秒的時間穩(wěn)定度和優(yōu)于100皮秒的精度。通過利用光學(xué)頻率梳作為光源，實現(xiàn)了自由空間中的時間傳遞穩(wěn)定度達(dá)到飛秒量級，但代價是復(fù)雜的配置和對高保真頻率梳傳播的嚴(yán)格要求。

得益于光纖的低損耗、高可靠性和高穩(wěn)定性，光纖時間和頻率傳遞提供了一種替代自由空間傳遞的方法，具有潛在的優(yōu)越性能。然而基于傳統(tǒng)調(diào)制的經(jīng)典雙向傳遞方法在公共時鐘下的最佳時間穩(wěn)定度仍保持在亞皮秒級。另一方面，光纖色散使得利用光學(xué)頻率梳在光纖鏈路上進(jìn)行時間傳遞遇到了無法克服的困難，僅在色散補(bǔ)償公里級光纖上實現(xiàn)了演示。此外，安全的時間傳遞對廣泛的技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要。由于經(jīng)典技術(shù)本質(zhì)上容易受到惡意方的干擾，引入量子技術(shù)以確保安全性的需求變得迫切。

利用時間-能量糾纏光子對源的強(qiáng)時間相關(guān)特性，2018年，張首剛研究團(tuán)隊提出了基于光纖的雙向量子時鐘同步協(xié)議來比較和同步遠(yuǎn)距離時鐘[4]。生成的光子對高度時間相關(guān)，可以在它們到達(dá)遠(yuǎn)程站點(diǎn)的時間中實現(xiàn)窄相關(guān)峰。通過使用相關(guān)峰位置，可以容易地提取遠(yuǎn)距離時鐘之間的時間和頻率差。與經(jīng)典方法相比，這避免了必要的調(diào)制和解調(diào)，簡化了時間傳遞過程，顯著提高了單次測量精度。此外，傳統(tǒng)光纖時間傳遞系統(tǒng)中固有的瑞利背向散射噪聲可以很容易地避免，因為瑞利背向散射光子無法為時差測量提供有效的雙光子符合。此外，時間-能量糾纏光子對源所具有的非局部色散抵消已經(jīng)被證明能夠解決糾纏損失，并將傳遞擴(kuò)展到更遠(yuǎn)的距離。

在該團(tuán)隊之前的工作中，在公共時鐘參考下，雙向量子同步技術(shù)可實現(xiàn)的同步性能已在20公里的纏繞光纖鏈路上進(jìn)行演示，同步穩(wěn)定度為幾十飛秒，精度為2.46皮秒[5]。隨著量子中繼器技術(shù)的發(fā)展，有望在數(shù)百公里的光纖距離上實現(xiàn)高精度的量子時鐘同步。此外，時鐘同步的安全性可以通過量子力學(xué)的互補(bǔ)性原理來保證，并可以基于量子技術(shù)可靠地執(zhí)行必要的安全測試，例如量子糾纏的唯一非局域性，量子密鑰分發(fā)，等等。

今年2月，新華社以《大國“鐘”匠》為主題報道了張首剛和他的“時間團(tuán)隊”，并為我們講述了中國在時間精密測量領(lǐng)域“彎道超車”的鮮為人知的故事[6]。

張首剛的辦公桌臺面夾層下鋪著一件白色T恤衫，印著一個桶狀精密裝置的圖案。

“T恤是我在法國巴黎天文臺畢業(yè)時同事們?yōu)槲叶ㄗ龅摹．嬅嫔系难b置，就是我參與改造的世界上第一臺銫原子噴泉鐘?！彼f。

在國際單位制的七個基本物理量中，時間是測量精度最高、應(yīng)用最廣的一個。一些物理學(xué)家為能否研制出關(guān)乎時間產(chǎn)生與保持的原子鐘，即原子頻率標(biāo)準(zhǔn)(頻標(biāo))而努力，這不僅是一國時間頻率科學(xué)先進(jìn)與否的戰(zhàn)略資源，更是國家主權(quán)的彰顯。

曾任北京大學(xué)常務(wù)副校長的物理學(xué)家王義遒說過：“在精確打擊時代，原子鐘的作用不亞于原子彈?！?/strong>