我国科研团队实现400公里单光子级光频梳光谱重建 助力广域精密时间频率网络建设

我国科研团队实现400公里单光子级光频梳光谱重建 助力广域精密时间频率网络建设

近日，北京量子信息科学研究院联合北京大学科研团队提出“单光子配对”光谱测量新方案，在总长400公里光纤链路上实现单光子级光频梳光谱重建，为长距离光纤精密时频比对、光频标组网提供新的技术路径。相关研究成果于10月31日发表在国际学术期刊《自然-通讯》。

光频梳是精密时间频率领域的核心工具，是实现光钟信号读取、不同站点光频标比对与频率溯源的关键载体。建设广域精密时频网络，需要借助长距离光纤链路完成异地高精度频率信号传递与比对。而光纤传输损耗会造成远端光频梳信号极度微弱，加之光纤受环境扰动带来随机相位噪声，容易破坏双光梳干涉的相干条件。传统测量方案对链路相位长期稳定性要求很高，制约了百公里以上距离的光频梳精密测量以及远距离时频比对的落地。

单光子探测具备极强的弱光信号捕捉能力，但传统光子计数双光梳光谱技术基于一阶干涉信号重建光谱，抗相位扰动能力不足，难以适配超长距离光纤时频传递场景。科研团队创新研发基于光子事件二阶关联的“单光子配对”测量方案，通过统计光子到达时间间隔构建二阶干涉图，经傅里叶变换还原光频梳光谱。该方案不再对链路长时间相位稳定提出严苛要求，显著提升了对光纤相位扰动的耐受能力，可在高损耗、扰动复杂的长距离光纤环境下提取光频梳梳齿频率信息。

团队搭建由两段200公里光纤组成、总长400公里的实验链路开展验证。实验中接收端单根梳齿平均光功率低至5.5×10^-15W，信号**微弱，系统仍实现信噪比23.5dB的高质量光谱重建，光谱测量结果和标准频谱测试结果保持一致。该结果证明，经过数百公里光纤衰减后的光频梳信号，依然能够实现高精度频谱读取，为远距离光钟比对、光纤光频传递提供了高灵敏、高鲁棒性的技术方案。

该成果解决了长距离光纤链路中弱光频梳精密光谱重建难题，补充了广域光频标组网所需的探测技术手段。在时间频率领域，该技术有望支撑异地光钟远程比对、精密频率溯源、光纤时频分发等工作，可服务于高精度授时、导航增强、基础物理研究等方向，并具备和量子网络融合应用的潜力。

论文第一作者为北京量子信息科学研究院林锦平、周来，通讯作者为周来。本研究得到国家科技重大专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。

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