李明麗

陽光穿過晷針，在巨石圓盤上投射出清晰的針影，光與影的交替中，日晷抓住了時間的形跡，世界從混沌變得清晰可控。

幾千年以后，當人類邁入智慧化時代，十二時辰早已成為過去，分秒之爭也無法完全滿足今日科技的需求。我們需要精準捕捉千億分之一秒的瞬間，太空飛船與目標飛行器才得以嚴密對接、海底隧道的沉管可以整齊劃一地平移、5G通信有望搭載著時間同步的通訊基站覆蓋全球……

這一次，成功捕捉到時間的，是中國科學院國家授時中心的研究員劉濤。

說授時：應用是我探索科學的終極目標

劉濤攻讀博士時專注于冷原子物理領(lǐng)域的實驗研究，在德國馬普光科學研究所、丹麥哥本哈根大學作博士后期間，他逐步深入到光鐘領(lǐng)域的研究。初衷簡單又赤誠，求學階段探索基礎(chǔ)和前沿研究，工作后則注重科學與應用的結(jié)合，回國后也能為祖國的發(fā)展添磚加瓦。就這樣，劉濤與授時研究結(jié)下了不解之緣。2010年8月回國后，順理成章地進入中國科學院國家授時中心工作。

時間在日常生活中無處不在，但普通百姓往往對授時沒有概念，也不了解高精度時間的價值。實際上，從日晷、沙漏，到機械鐘、石英鐘，再到今天的原子鐘……時間精度的飛速提高，體現(xiàn)著人類探索自然、征服自然的強大力量和最高智慧。作為目前最精準的基本物理量，時間一直在國防、通信、證券、航空等領(lǐng)域扮演著重要的角色。許多其他物理量，如長度、電壓等，都可由時間導出。飛機、軍艦、戰(zhàn)車、導彈等都可以通過計算信號從衛(wèi)星到自身所用的時間來確定自身位置、校正航向。一位美國科學家曾舉例說，如果導彈的計時誤差是十億分之一秒的話，其擊中目標的誤差則是10英尺，相當于3米多。

因此，全球科學界都極為重視時間頻率的精度。高精度時間頻率是2018年美國14項出口管制領(lǐng)域之一——位置導航時間的核心；我國新一代授時系統(tǒng)建設(shè)也已順利立項并即將投入建設(shè)。

為了取得更精準的時間，目前世界各國都采用原子鐘來產(chǎn)生和保持標準時間，這就是“時間標準”，而通過電話、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等各種手段將時間信號送達用戶的整套服務系統(tǒng)，就稱為“授時系統(tǒng)”。

授時就是把國家標準時間，通過有線和無線的技術(shù)手段發(fā)播給用戶。發(fā)播授時信號的物理裝置，就是授時系統(tǒng)。形式有很多種：有線可以通過電纜、電話線、通信網(wǎng)絡和專用光纖等傳遞時間信息;無線可以通過短波、長波、激光，還可以通過衛(wèi)星等電磁波傳播時間信息，將來可能通過量子技術(shù)實現(xiàn)更高精度和更安全的時間傳遞。采用不同的技術(shù)，可以滿足不同用戶在不同環(huán)境下對于授時的要求。

中國科學院國家授時中心長期從事時間頻率領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應用研究，具有國內(nèi)最大的守時鐘組，運行著30多臺原子鐘，還承擔著我國標準時間——“北京時間”的產(chǎn)生、保持和發(fā)播任務。扎根臨潼，與國際一流的時間頻率科研團隊和平臺相伴，可以看到中國時間扎扎實實朝前走的“腳印”，劉濤的科學理想找到了歸屬。

說光鐘：自主研發(fā)高精度光學參考腔，徹底打破國際壟斷

光鐘是目前計時精度最高的原子鐘，利用它對時間度量的精度可以達到10-18量級，或者說，相當于一臺連走160億年也不會產(chǎn)生1秒誤差的時鐘。以光鐘為代表的時間頻率研究飛速發(fā)展，引發(fā)了時間頻率領(lǐng)域從產(chǎn)生到傳遞的一系列變革，科學家公認光鐘將用來重新定義下一代時間頻率基準。

由于光鐘的穩(wěn)定性受限于窄線寬激光的頻率穩(wěn)定性，劉濤將窄線寬激光器列為了自己主要的研究課題。在光鐘研究中，窄線寬激光器被稱為“本地振蕩器”，用激光探測裝載在光晶格中的冷原子或被囚禁的單個冷離子，可獲得線寬超窄且頻率極穩(wěn)定的鐘躍遷譜線，進而實現(xiàn)高精度的光鐘。

窄線寬激光器不僅是光鐘的核心，還是衛(wèi)星重力測量、星間激光干涉測距以及空間引力波探測等空間研究的重要工具，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，世界各國都爭相開展太空領(lǐng)域的光鐘研究，以搶占時間頻率研究的制高點，達到衛(wèi)星導航、空間探索的新高度。但讓國人尷尬的是，窄線寬激光器最關(guān)鍵的部件——超穩(wěn)光學參考腔長時間被國外廠商壟斷。國內(nèi)一直無法自主研制核心部件，這讓劉濤意識到了巨大的隱患：“由于高精度時間頻率在衛(wèi)星導航、國防建設(shè)、空間探索這些領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，所以很可能會受到國際政治形勢的波及。如果我們一直依靠從國外廠商購買產(chǎn)品，那將來國外一旦實施技術(shù)禁運怎么辦？國家想要建設(shè)新一代時間頻率體系，尤其當時咱們中國空間站科學應用平臺也急需這種關(guān)鍵技術(shù)，所以必須得抓緊解決這些關(guān)鍵問題?！?/p>

在國家重大科研儀器設(shè)備研制專項和國家自然科學基金的支持下，劉濤帶領(lǐng)授時中心的窄線寬激光器研究小組與國內(nèi)一家企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，全面突破了超低振動敏感設(shè)計、超高反光學鍍膜、精密光學冷加工等從設(shè)計到加工的一系列關(guān)鍵技術(shù)，自主研制出了我國首個面向空間應用的高精細度球形光學參考腔，打破了美國的技術(shù)壟斷。

測試表明，劉濤團隊研制的球形光學參考腔的精細度約為200000，與國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平相當。以此為基礎(chǔ)，劉濤乘勝追擊，進一步攻堅工程應用超穩(wěn)激光系統(tǒng)在極端環(huán)境下大帶寬、低時延和自主運行的技術(shù)難題，實現(xiàn)了Hz量級超穩(wěn)激光自動化穩(wěn)頻技術(shù)，滿足了空間超穩(wěn)激光系統(tǒng)和地基授時系統(tǒng)等實際應用急需，為衛(wèi)星重力測量、星間激光測距以及空間引力波探測提供技術(shù)支撐。

這些突破，基本滿足我國空間站科學應用的迫切急需，解決了空間站和地基授時系統(tǒng)中的關(guān)鍵可靠性問題。自此，劉濤開始擔任我國921空間站窄線寬激光器分系統(tǒng)負責人，目前正開展初樣研制工作。

“在科研過程中，我們也做了一些光學參考腔的理論研究?！眲榻B道，“全世界科研人員都很關(guān)注熱噪聲，因為激光器的頻率穩(wěn)定度受限于熱噪聲極限。但這個極限理論的模型還不是很完備，我們在研究中擴展了理論模型，對熱噪聲進行了更全面的解釋，并對影響其極限的因素進行了細致的分析?！币舱沁@些獨創(chuàng)性貢獻，讓同行專家們關(guān)注到了授時領(lǐng)域的中國聲音。

說光纖：千公里光纖授時達到國際先進水平

完成了超穩(wěn)光學參考腔的自主研發(fā)，精密時間頻率信號的產(chǎn)生有了保證，但要讓光鐘產(chǎn)生的高精度時間能夠服務于全國各地的用戶，還得建立相應的時間頻率傳遞體系。

目前，在通信、交通、金融等行業(yè)廣泛應用的是衛(wèi)星授時系統(tǒng)，比如美國的GPS和我國的北斗。衛(wèi)星上載有高精度的時間源，授時設(shè)備從衛(wèi)星的信號上獲取標準的時間信息，通過各種類型的接口傳輸給各地需要時間信息的設(shè)備，完成單個設(shè)備的時間校準或者多個系統(tǒng)的時間同步。

劉濤為我們介紹道：“衛(wèi)星授時的優(yōu)點顯而易見，覆蓋廣、成本低，但隨著時代發(fā)展的需要，衛(wèi)星授時精度的提升也遇到了瓶頸。想要進一步提高精度滿足更多的需求，就得研發(fā)新的手段，光纖授時就是一種精度最高的選擇，目前來看，比衛(wèi)星傳遞要高大概三四個量級，能達到衛(wèi)星一千倍或一萬倍的程度，有很好的應用場景。我的研究方向，就是用光纖來做時間頻率傳輸。”

衛(wèi)星授時接收機需要從開放的空間接收導航衛(wèi)星信號，在接收衛(wèi)星信號的同時，容易受到來自地面以及低空的無線電干擾，無論這干擾是有意還是無意，都會影響授時精度及可靠性。更可怕的是，有一些黑客或恐怖組織，還有可能對國家基礎(chǔ)設(shè)施中使用的衛(wèi)星授時設(shè)備進行欺騙。2014年10月，美國國土安全部官員在CSCC會議上稱，在美國當前基站主用授時設(shè)備的欺騙和壓制干擾試驗中，無抗欺騙措施的授時設(shè)備“全軍覆沒”，輸出了錯誤的時間。

“利用信號模擬器產(chǎn)生虛假衛(wèi)星信號對授時接收機進行欺騙并不難。一個像煙灰盒那么大的小干擾器，就可以把衛(wèi)星信號干擾掉。伊朗就通過干擾信號，捕獲過美國中央情報局的無人偵察機。同時，衛(wèi)星授時依托大氣通道，信道噪聲也比較大。而與之相比，光纖授時的優(yōu)勢就顯而易見?！碧岬焦饫w授時，劉濤興致勃勃地說：“光纖深埋在地下，受到的干擾相對較少，所以它的信道就比較穩(wěn)定；而且，光纖資源也非常豐富，可以說已經(jīng)深入千家萬戶。除此以外，它最突出的優(yōu)點是安全性好，一根線在地下埋著，抗干擾能力極強，非常適合提供高精度、高可靠的授時服務。”

國家授時中心牽頭承擔了“十三五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高精度地基授時系統(tǒng)的研制與建設(shè)任務，光纖授時系統(tǒng)將在全國兩萬公里光纖網(wǎng)絡上實現(xiàn)E-19量級和100ps的超高精度時間頻率信號傳遞，為科研、信息、交通、國防等領(lǐng)域提供最高精度的時間和頻率信號服務。

作為“高精度地基授時系統(tǒng)”項目的總體總師，幾年的時間中，劉濤帶領(lǐng)光纖授時研發(fā)團隊潛心鉆研，自主提出采用超大分頻、超低噪聲放大等技術(shù)，解決長距離光纖中大動態(tài)時變相位噪聲的精確測量與補償，千公里實地光纖上光頻傳遞穩(wěn)定度達到E-19量級，滿足我國異地光鐘比對急需。除此以外，還攻克了精密時間間隔測量、多用戶時間同步、凈化再生等技術(shù)，解決了皮秒級高精度時延控制及校準等難題，研制了高精度多通道時間間隔計數(shù)器、網(wǎng)絡化時間同步系統(tǒng)等技術(shù)裝備。更讓劉濤自豪的是，我國首次在千公里實地通信光纖上實現(xiàn)了十皮秒級時間傳遞，達到了國際先進水平，目前研究成果已應用于我國“北斗”衛(wèi)星導航測試評估系統(tǒng)和長短波授時系統(tǒng)。

在壯美的祖國山河上，高精度時間頻率有望搭乘光纖，伴隨5G通信、無人駕駛、智慧城市等新興行業(yè)飛速發(fā)展，在天地一體化信息系統(tǒng)等重大科技平臺上大展拳腳。

說團隊：通力協(xié)作才是精英團隊

在世界頂尖研究所做博士后研究的6年時間里，劉濤感觸最深的不僅是海外精密的設(shè)備、前沿的課題，而且還有整個科研團隊合作攻關(guān)的能力。在他回國組建自己的科研團隊時，最看重的也是整個團隊的通力協(xié)作。

“在國外，良好的學術(shù)氛圍確實讓我更好地完成了知識積累。國外的學術(shù)交流很多，在互相學習和探討的氛圍中，我可以不斷擴展自己知識的外延。同時讓我感受深刻的是，越是有難度的研究課題，越考驗團隊合作的能力。比如，我從事的光鐘研究，幾個小組分別進行攻關(guān)。人與人、組與組需要共同努力，相互之間做好配合銜接，才能取得最終成果。所以，通力協(xié)作是團隊攻堅中最重要的能力?！?/p>

同時承擔我國空間站窄線寬激光器研制任務和國家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目“高精度地基授時系統(tǒng)”兩方面科研任務，挑戰(zhàn)是巨大的。面對工程研制以及試驗測試等層出不窮的挑戰(zhàn)，劉濤根據(jù)項目任務要求和團隊人員的知識結(jié)構(gòu)，組建了空間窄線寬激光器和光纖授時兩個團隊，專業(yè)領(lǐng)域覆蓋了多個方向：“我們已經(jīng)在實驗室關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，繼續(xù)向空間和工程兩方面努力。工作的難點涉及諸多知識層面，不光是簡單的光學、電子，還包括結(jié)構(gòu)、熱學、軟件、可靠性等?？蒲泄ぷ鞯那罢靶院投鄬W科的交叉性，必然要求科研團隊齊心協(xié)力、協(xié)力攻關(guān)，才能圓滿完成任務?！?/p>

中國科學院國家授時中心雖然是我國唯一全面專業(yè)深耕時間頻率領(lǐng)域的科研機構(gòu)，但因為地處西北，團隊的建設(shè)與發(fā)展不可避免地受到了制約，科研人手仍顯不足。

工作組合影

“我們的工作和一些基礎(chǔ)研究不太一樣，很多工作都是在做工程中展開。比如，我們的光纖授時團隊去年開展千公里級的外場測試，風吹日曬，非常辛苦，但沒有一個人叫苦，都在努力完成測試任務?！痹谶@種背景下，劉濤一方面用事業(yè)、情懷、委以重任等多措并舉的帶隊策略激勵大家，另一方面，通過培養(yǎng)或聯(lián)合培養(yǎng)研究生，廣泛開展國內(nèi)、國際合作并互派人員訪問學習等方式壯大團隊。目前，科研團隊與德國PTB、法國SYRTE、英國NPL等同行積極開展學術(shù)交流，成長迅速；同時，還與上海技物所、中航513所、中航618所等國內(nèi)單位開展工程技術(shù)協(xié)作，借力外部資源和人才優(yōu)勢，保障科研任務的圓滿完成。

在這位身先士卒的帶頭人引領(lǐng)下，科研能力和創(chuàng)新能力并重的研究團隊大展身手。近5年，相關(guān)成果申請國家發(fā)明專利23項，授權(quán)13項；兩名青年成員獲得國家自然科學基金青年項目支持。劉濤本人先后入選了中國科學院“百人計劃”、陜西省科技創(chuàng)新中青年領(lǐng)軍人才、陜西省科技新星；突破性成果的接連問世，引起了中國移動、中國電信、江蘇廣電等多家公司的注目，國家授時中心在應用領(lǐng)域的更多嘗試也行將起航。

春綠秋白，日月沉降，行蹤不定的時間，一點點被人類的智慧馴服。

千億分之一秒或是更高精度的瞬間凝固在國家授時中心，它已伴隨著劉濤的理想落地、扎根，也將生發(fā)出未來科技的無限可能。