摘要
光学时钟网络应用于精确导航1，2，试图重新定义“秒”的基本单位。3.，4，5，6在引力测试中7。由于最先进的光学时钟的频率不稳定性已达到10−19水平8，9在美国，实现性能相当的全球规模光网络的愿景，需要时间和频率在长距离自由空间链路上的传播，其不稳定性类似于10−19。然而，以前对时间和频率的高精度自由空间传播的尝试没有超过几十公里10，11。在这里，我们报道了偏移量为6.3 × 10的时频传播−20±3.4 × 10−19不稳定性小于4 × 10−19以10,000秒的速度通过113公里的自由空间连接。实现这一成就的关键技术包括部署大功率频率梳、高稳定性和高效率光收发系统以及高效线性光采样。我们观察到，我们所达到的稳定性在信道损耗高达89 dB时仍能保持。我们报道的技术不仅可以直接用于地面应用，而且还可以为未来的卫星时频传播奠定基础。
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参考文献
Mehlstäubler, T. E.， Grosche, G.， Lisdat, C.， Schmidt, p.o. & Denker, H.用于大地测量的原子钟。众议员掠夺。理论物理。81， 064401(2018)。
Lisdat, C.等。用于大地测量学和基础科学的时钟网络。Commun Nat。7， 12443(2016)。
Riehle, F. Gill, P. Arias, F.和Robertsson, L. CIPM推荐频率标准值列表:指南和程序。Metrologia55， 188-200(2018)。
基于光学原子钟的秒的重新定义。c.r.物理学。16， 506-515(2015)。
麦克格鲁，W. F.等人。朝向光学秒:在SI极限验证光学时钟。视神经节6， 448(2019)。
时间单位:现在和未来的方向。c.r.物理学。20.， 153-168(2019)。
Kolkowitz, S.等人。光学晶格原子钟引力波探测。理论物理。启维94， 124043(2016)。
坎贝尔，s.l.等人。费米简并三维光学晶格时钟。科学358， 90-94(2017)。
麦克格鲁，W.等人。原子钟的性能使测地线低于厘米水平。自然564， 87(2018)。
Deschenes, j。et al。飞秒级远距离光学时钟的同步。理论物理。启X6， 021016(2016)。
辛克莱，L. C.等。在城市上空12公里的强湍流空气中实现时钟同步。达成。理论物理。列托人。109， 151104(2016)。
Derevianko, A.和Pospelov, M.用原子钟寻找拓扑暗物质。Nat。物理。10， 933-936(2014)。
Delva, P.等人。用光学时钟的光纤网络检验狭义相对论。理论物理。启。118， 221102(2017)。
Safronova, m.s.等人。探索原子和分子的新物理。Rev. Mod. Phys。90， 025008(2018)。
陈志刚，李志刚，李志刚，李志刚。超冷分子基本常数变化的新探针。新J.物理。11， 055048(2009)。
罗伯茨，b.m.等人。使用光纤连接光学原子钟搜索精细结构常数和暗物质的瞬态变化。新J.物理。22， 093010(2020)。
刘，Y.等。通过发送或不发送的双场量子密钥分发实验。理论物理。启。123， 100505(2019)。
Droste, S.等人。光频传输单跨1840公里光纤链路。理论物理。启。111， 110801(2013)。
Predehl, K.等。一条920公里长的光纤链路，用于频率计量(小数点后19位)。科学336， 441-444(2012)。
坎廷等人。一种用于相干光频率传播的精确鲁棒计量网络。新J.物理。23， 053027(2021)。
光晶格时钟与量子计量学。Nat。光子学5203(2011)。
乔治塔，F. R.等。自由空间的光双向时间和频率传输。Nat。光子学7， 434(2013)。
博丁，m.i.等。光时频传输在自由空间，三节点网络。APL光子学5， 076113(2020)。
沈，Q.等。10 -18不稳定条件下星地光学链路时频传输的实验模拟。视神经节8， 471(2021)。
博丁，m.i.等。光学原子钟在湍流空气中的比较。理论物理。启Res。2， 33395(2020)。
Beloy, K.等人。频率比测量在18位精度使用光学时钟网络。自然591， 564-569(2021)。
Bergeron, H.等人。飞行四轴飞行器光学时钟的飞秒时间同步。Commun Nat。10， 1819(2019)。
辛克莱，L. C.等。在相位和10中将空气中的光学振荡器与毫弧度进行比较−17的频率。理论物理。启。120， 050801(2018)。
戈扎德，d.r.等人。全球光学原子钟网络的超稳定自由空间激光链路。理论物理。启。128， 020801(2022)。
Samain, E.等人。激光链路时间传递:不确定性预算的完整分析。Metrologia52， 423-432(2015)。
卡恰普奥蒂，L.席勒，S。科学要求技术报告(欧洲空间研究与技术中心，2017)。
exextier, P.等。时间和激光测距:大地测量学、导航学和计量学的机会之窗。j .大地测量学。93， 2389-2404(2019)。
罗伯特，C，柯南，j - m。紊流对双向相干光学链路高精度地星频率传输的影响。理论物理。启一个93， 033860(2016)。
斯旺，W. C.等。湍流各向异性对自由空间光学时间传递精度影响的测量。理论物理。启一个99， 023855(2019)。
斯特罗本(编)激光光束在大气中的传播应用物理专题第25卷(施普林格，1978);https://doi.org/10.1007/3-540-08812-1
柯南,人类。，Rousset, G. & Madec, P.-Y. Wave-front temporal spectra in high-resolution imaging through turbulence.J.选择社会。点。一个12， 1559-1570(1995)。
Bauch, A.等人。欧洲和美国频率标准的比较−15不确定性水平。Metrologia43， 109-120(2006)。
藤田，等人。先进的卫星频率传输在10号−16的水平。IEEE反式。Ultrason。Ferroelectr。频率控制。65， 973-978(2018)。
Schioppo, M.等人。具有两个冷原子集成的超稳定光学时钟。Nat。光子学11， 48-52(2017)。
Oelker, E.等。4.8 × 10的演示−17两个独立光学时钟在1秒的稳定性。Nat。光子学13， 714-719(2019)。
Calosso, C. E.， Clivati, C. & Micalizio, S.避免allan方差中的混叠:在光纤链路数据分析中的应用。IEEE反式。Ultrason。Ferroelectr。频率控制。63， 646-655(2016)。
确认
国家重点研发计划项目(资助号:2017YFA0303900、2020YFA0309800、2020YFC2200103);中国科学院战略重点研究项目(批准号:XDB35030000和XDA15020400);国家自然科学基金项目(no . T2125010、61825505);安徽量子信息技术项目(批准号;AHY010100);山东省重点研发计划项目(批准号:2020CXGC010105、2021ZDPT01);广东省重点研究与发展计划项目(批准号:;2018 b030325001);上海市科技重大专项(批准号;2019 shzdzx01); and the Innovation Programme for Quantum Science and Technology (grant no. 2021ZD0300100).
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贡献
h。f。j。q。z。和j。w。p构想了这个实验。问:J.-Y.G。L.H,马丁,J.-J.H, M.-Z.L, Y.-W.C, X.-X.P H.-F.J.和Q.Z.设计时间和频率的设置。J.-G.R Y.C。,T.Z J.-C.W, J.-J.J J.Y.和C.-Z.P.建立了光学望远镜。l.h.， x.x.p, y.y.z和h.f.j.开发了1563纳米OFCs和放大器。q.s.， m.l.， j.y.g.， j.j.h.， m.z. l和s.k.l开发了LOS光学和电气以及实时同步模块。j - yg, f - x.c, h . f . j .， Q.S.， j . j . h .和m . z . l .开发了光纤传输链路。w.y.l.、x.p.s.、y.l.、m.l.、Q.S.和j.y.g.设计了LOS的数据采集软件。j.y.g.、Q.S、m.l.、j.j.h.、m.z.、y.w.c.设计了时间数据处理软件。所有作者都进行了实验，分析了数据，并为论文的写作做出了贡献。
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扩展的数据图形和表格
扩展数据图1单个终端的详细光学实验设置。
USL，超稳定激光器;EDFA，掺铒光纤放大器;圆形的,循环泵;BPD，平衡光电二极管;电视,望远镜。
扩展数据图2光纤时频传输的设置。
USL，超稳定激光器;SMC，单模耦合器;PD，光子二极管;RF，射频源;FM，法拉第镜;AOM，声光调制器;EPC，电极化控制器;Bi-EDFA，双向掺铒光纤放大。底层地图来自谷歌，DigitalGlobe。
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关于本文
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沈强，关建勇，任建刚，任建刚。et al。自由空间传播的时间和频率与10−19不稳定性超过113千米。自然610， 661-666(2022)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05228-5
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DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05228-5
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中国团队使用激光在创纪录的距离上同步时钟
自然（2022）
