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        國家授時中心:調(diào)校中國的一面大鐘

        2023-11-21 08:04:36
        科技創(chuàng)新與品牌 2023年7期
        關(guān)鍵詞:高精度量子中心

        從陜西省渭南市蒲城縣城西行約3公里的楊家莊,有4根高聳的電線桿,被人們稱為“326”或“天文臺”。這里離中國大地原點(diǎn)100公里,是我國標(biāo)準(zhǔn)時間——“北京時間”生產(chǎn)、保持、發(fā)播的地方,被錢學(xué)森先生譽(yù)為“中國的一面大鐘”。

        工作人員在中國科學(xué)院國家授時中心銫原子噴泉鐘實(shí)驗(yàn)室工作

        時間決定了我們?nèi)粘I钪械氖录O乱淮螘h是什么時候?差多少分鐘沒能趕上飛機(jī)?比賽什么時候開始?我們用小時、分鐘和秒來衡量事件的時間。

        然而,對于身處陜西腹地的一群科研人員來說,對時間的把握更為精準(zhǔn),他們研究的“時間”,不僅事關(guān)國家安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的戰(zhàn)略資源,更是國家話語權(quán)的體現(xiàn)。

        中國科學(xué)院國家授時中心(以下簡稱“國家授時中心”)的前身為中國科學(xué)院陜西天文臺,始建于陜西蒲城縣城西北金幟山唐憲宗景陵附近,也是在那里創(chuàng)建了新中國第一個短波授時臺,工程代號“326”。今天,這里成為國家授時中心授時部,而在距離它100公里之外的西安市臨潼區(qū)書院東路3號被稱為國家授時中心“臺本部”的地方,更為縝密的關(guān)于時間的研究正在全面鋪開。

        古人最早以“日出而作,日入而息”,也就是以地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的晝夜變化來判定時間;《尚書·堯典》中記載:“乃命羲和,欽若昊天,歷象日月星辰,敬授民時?!币馑际堑蹐蛎铘耸虾秃褪希瑖?yán)肅謹(jǐn)慎地遵循天數(shù),推算日月星辰運(yùn)行的規(guī)律,制定出歷法,把天時節(jié)令告訴人們。這是最早的“授時”。但是近代以來,我國標(biāo)準(zhǔn)時間的產(chǎn)生和傳遞,曾長期被外國人主導(dǎo)并把持。一個國家能否研制出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的原子鐘,不僅代表著相關(guān)領(lǐng)域的科研實(shí)力,也代表著保障國家安全的能力與水平。

        1971年,國家標(biāo)準(zhǔn)時間專用短波授時臺正式發(fā)播,標(biāo)志著我國具備了自主可控的、全國土覆蓋的、連續(xù)可用的陸基無線電授時能力。緊接著,大批的建設(shè)者從各地涌向陜西,為建設(shè)更高精度的無線電長波授時臺扎下根來……

        1秒鐘,是手表秒針的一聲“嘀嗒”。在秒以下,時間單位按千分之一逐級遞減,分別是毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒、仄秒等。例如1納秒,就是1秒鐘的十億分之一。國際上對“秒” 的定義是基于銫-133原子的基態(tài)量子轉(zhuǎn)變的頻率,即每秒超過90億次“嘀嗒”。

        2005年,一位叫張首剛的青年,海外學(xué)成回國后,來到位于陜西的國家授時中心,主持原子鐘研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)時間研究。7年之后,張首剛團(tuán)隊(duì)自主研制出國家授時中心第一臺銫原子噴泉鐘;2018年和2022年,第二、第三臺銫原子噴泉鐘相繼被研制出來。隨著性能的持續(xù)提升,銫原子噴泉鐘精度從10-15量級提升至10-16量級,從而實(shí)現(xiàn)了國家標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生的自主校準(zhǔn)。

        經(jīng)過多年發(fā)展,國家授時中心量子頻標(biāo)研究室已擁有近百名中青年科研人員,并發(fā)展成為中國科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,不僅自主研制出了國際先進(jìn)的基準(zhǔn)型銫原子噴泉鐘,還在2018年實(shí)現(xiàn)了守時型光抽運(yùn)小銫鐘的產(chǎn)品化。

        應(yīng)用廣泛的便攜化小銫鐘產(chǎn)品,此前50多年都被美國獨(dú)家壟斷。2017年,小銫鐘產(chǎn)品陸續(xù)對華禁售。如今這款國產(chǎn)小銫鐘不僅已應(yīng)用在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、長河二號導(dǎo)航系統(tǒng)、5G通信系統(tǒng)以及北極科考等任務(wù)中,也裝備在國家標(biāo)準(zhǔn)時間產(chǎn)生與保持系統(tǒng)。2021年11月,三臺國產(chǎn)小銫鐘在國際標(biāo)準(zhǔn)時間計(jì)算中取得貢獻(xiàn)權(quán)重,并被國際權(quán)度局推薦給各國用于標(biāo)準(zhǔn)時間的產(chǎn)生。

        隨著5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)以及人工智能和信息社會的進(jìn)步,傳輸?shù)拇髷?shù)據(jù)對各種智能移動終端的時間同步提出了更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),我們需要一個比銫更快的計(jì)時源。量子時鐘就成為世界上最精確的計(jì)時工具,它的精度比當(dāng)今定義標(biāo)準(zhǔn)時間的原子時鐘高出近40倍。該量子邏輯時鐘每經(jīng)過36.8億年才有1秒鐘的誤差,而2019年的改進(jìn)版所具有的精度更加令人震驚:每經(jīng)過337億年才有1秒鐘的誤差。

        2020年,張首剛和研究員董瑞芳帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì),在位于國家授時中心園區(qū)內(nèi)的氫脈澤和位于驪山天文臺的銣鐘之間進(jìn)行雙向量子同步的現(xiàn)場測試,通過多種前沿技術(shù)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)由50公里光纖傳輸?shù)碾p節(jié)點(diǎn)糾纏,并演示了經(jīng)由22公里外場光纖的雙節(jié)點(diǎn)糾纏。該工作得到國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》審稿人的高度評價,認(rèn)為“該結(jié)果是向?qū)崿F(xiàn)量子中繼方向邁出了重要一步”。

        在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,百萬分之一秒的時間測量誤差,就會導(dǎo)致300米的測距偏差??茖W(xué)發(fā)展中國的航空航天、量子信息、地球科學(xué)、射電天文、高能天體物理、空間天氣等學(xué)科研究,都需要高精度時間頻率信號來支撐。

        把比微波原子鐘精度更高的光鐘送上太空,實(shí)現(xiàn)高精度空間時間基準(zhǔn),是當(dāng)前世界科技發(fā)展的前沿。

        2022年10月31日,搭載“夢天”實(shí)驗(yàn)艙的長征五號B遙四運(yùn)載火箭,在文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火發(fā)射。約8分鐘后,“夢天”實(shí)驗(yàn)艙與火箭成功分離并進(jìn)入預(yù)定軌道。國家授時中心聯(lián)合中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所一起組織國內(nèi)十余家單位共同研制的高精度時頻實(shí)驗(yàn)柜,隨“夢天”實(shí)驗(yàn)艙一起順利升空。

        作為“夢天”實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)最重要、最復(fù)雜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)之一,高精度時頻科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由包括全球首臺時空光鐘、全球首臺空間超窄線寬激光器、全球首套具有微波和激光雙鏈路的低軌航天器時間頻率比對系統(tǒng)等13臺單機(jī)組成,在空前時間頻率產(chǎn)生運(yùn)行系統(tǒng)中居于世界領(lǐng)先地位。

        有了這個實(shí)驗(yàn)柜,天宮空間站時頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將融合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、在建地基授時系統(tǒng)和現(xiàn)有的授時系統(tǒng)。國家授時中心首席科學(xué)家張首剛預(yù)計(jì),五年內(nèi),國家授時中心將建成世界上獨(dú)一無二的天地融合、立體交叉的國家授時系統(tǒng)。

        數(shù)十年來,中國科學(xué)院國家授時中心幾代科研人員共同努力,從地表作業(yè)到進(jìn)入太空,14次在關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)“從0到1”的突破。

        日前,國家授時中心承擔(dān)的國家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高精度地基授時系統(tǒng)”研制建設(shè),完成了西安至太原段1839公里雙纖雙路時間傳遞系統(tǒng)的設(shè)備安裝和性能測試。結(jié)果表明,我國建成了全球首個十皮秒級穩(wěn)定度的千公里光纖時間傳遞工程應(yīng)用系統(tǒng)。

        與世界同步的北京時間,自此不再讓世界小覷!

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