【博科园-科学科普（如有疑问及相关问题请评论区留言“博科园”会挑选问题给予回复解答）】研究人员首次证明在标准光纤通信网络上，稳定的频率参考可以可靠地传输超过300公里，并用于同步两个射电望远镜。稳定的频率参考用来校准制造超精密测量的时钟和仪器，通常只能在使用昂贵原子钟的设备上使用。这项新技术可以让科学家在任何地方通过接入电信网络来获取频率标准。通过电信网络发送稳定频率参考的能力对于无线电望远镜阵列(如平方公里阵列)特别有用，这是一项国际努力，利用澳大利亚和南非的阵列来建造世界上最大的射电望远镜。当完成时SKA将探测到来自深空的微弱无线电波，其灵敏度是哈勃望远镜的50倍。独立的射电望远镜将被连接起来创造一个大约100万平方米的集总区。
在一个阵列中连接射电望远镜需要每个望远镜都有一个原子钟来记录从空间物体中探测到信号的精确时间。将所有的望远镜聚焦在同一个物体上，然后计算出信号到达每个望远镜的时间的细微差别，让研究人员能够结合所有的观测结果，确定物体的位置和其他特征。稳定的传输参考可以用来校准每个望远镜的相对时间，从而消除无线电望远镜阵列中多个原子钟的需要。
研究人员使用155公里长的光纤通信链路发送了两个射电望远镜之间的参考信号。新技术被动地补偿了环境因素如温度变化或振动所引入的网络信号波动。图片版权：D. Smyth, CSIRO
在Optica中来自澳大利亚机构联盟的研究人员报告了通过光纤链路成功地传输两个射电望远镜之间的稳定频率参考，并证明该技术的性能优于在每个望远镜上使用原子钟。该联盟包括澳大利亚的学术和研究网络(AARNet)、澳大利亚国立大学、联邦科学与工业研究组织(CSIRO)、国家测量学院、麦考瑞大学和阿德莱德大学。研究结果表明该技术能够对温度变化或振动等环境因素引入的光纤网络信号波动进行补偿。该演示甚至通过一个传输实时通信流量的网络进行。
使用实时网络流量进行测试
澳大利亚国立大学研究小组成员肯尼斯·鲍德温说：通过在光纤上运行实验发现传输稳定的频率标准不会影响其他频道的数据或电话，这对于获得拥有这些光纤网络的电信公司的合作是必要的。重要的是新技术不需要对光纤网络的其他部分进行任何实质性的改变，并且易于实现。为了在传输过程中保持频率稳定，研究人员将信号通过网络发送到目的地然后反射回来。返回的信号用于确定是否发生了任何更改。在每次往返之后，任何传输的频移都被被动地减去，以精确补偿测量的变化。
对于每100公里的光纤，往返行程大约需要1毫秒。即使补偿过程发生得非常快，接收端的时间也会在往返过程中漂移。为了解决这个问题，在远程位置上的石英振荡器使往返行程之间的时间保持稳定。石英振荡器的频率最终也会漂移，所以我们独特的过程将局部稳定与短时间长度的石英振荡器结合在一起，与传输的稳定频率参考技术提供的比往返时间稳定时间更长。这种传输频率参考的高度稳定的方法允许一个原子钟，它的成本大约是20万美元，而这个系统只需要花费几万美元。
展示长距离传输
研究人员以一种原子钟的形式开始，这种原子钟被称为“氢微波激射器”，位于CSIRO澳大利亚望远镜紧凑阵列(ATCA)上。把无线电频率参考信号从微波激射器上印到激光束上，然后再通过155公里的AARNet光纤和几个放大级到另一个射电望远镜，然后再返回。一旦补偿过程开始，这个引用就会被连接的另一端的无线电望远镜接收。研究人员使用稳定的频率参考来校准两架望远镜，这些望远镜被用来在太空中检查同一物体。发现比起稳定的频率信号来限制望远镜的性能，两个位置之间的大气差异是限制因素。为了消除大气干扰，更好地理解新方法如何改进望远镜的性能，研究人员在ATCA上只使用了一个望远镜天线，安装了两个独立的接收器来测量。这种“分离天线”方法允许一个接收机通过氢微波激射器稳定，与另一接收机稳定使用稳定的频率参考，在310公里的来回穿越光纤。
实验表明传输频率的基准非常稳定，比地球的大气层稳定得多。方法是完全复制一个原子钟上的稳定频率信号，至少和两个原子钟一样，这两个原子钟之间可能存在细微的差别。研究人员表示这种新方法已经准备好，可以通过射电天文学家来实现，希望避免在望远镜阵列中使用多个原子钟。该方法可以通过使用更多的放大器来提高信号，从而在更长的距离内使用。这也将允许在全国光纤网络上播放稳定的频率引用，在那里任何接触到电信网络的科学家都可以使用它们。
当原子钟首次被发明时，没有人认为它们会提供用于GPS导航的计时标准。希望以同样的方式，方便地获得与国家计量实验室中发现的一样稳定的频率标准，这将成为许多应用程序的一项技术，需要精确的定时和精确的频率测量。
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参考：Optica
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：美国光学学会
编译：中子星
审校：博科园
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