尺璧寸陰，心如日晷
——記中國科學院國家授時中心研究員劉濤

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域的研究。初衷簡單又赤誠，求學階段探索基礎和前沿研究，工作后則注重科學與應用的結合，回國后也能為祖國的發展添磚加瓦。就這樣，劉濤與授時研究結下了不解之緣。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、戰車、導彈等都可以通過計算信號從衛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項出口管制領域之一——位置導航時間的核心；我國新一代授時系統建設也已順利立項并即將投入建設。

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

授時就是把國家標準時間，通過有線和無線的技術手段發播給用戶。發播授時信號的物理裝置，就是授時系統。形式有很多種：有線可以通過電纜、電話線、通信網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，還可以通過衛星等電磁波傳播時間信息，將來可能通過量子技術實現更高精度和更安全的時間傳遞。采用不同的技術，可以滿足不同用戶在不同環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域的基礎和應用研究，具有國內最大的守時鐘組，運行著30多臺原子鐘，還承擔著我國標準時間——“北京時間”的產生、保持和發播任務。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160億年也不會產生1秒誤差的時鐘。以光鐘為代表的時間頻率研究飛速發展，引發了時間頻率領域從產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。

由于光鐘的穩定性受限于窄線寬激光的頻率穩定性，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定的鐘躍遷譜線，進而實現高精度的光鐘。

窄線寬激光器不僅是光鐘的核心，還是衛星重力測量、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，隨著航天技術的發展，世界各國都爭相開展太空領域的光鐘研究，以搶占時間頻率研究的制高點，達到衛星導航、空間探索的新高度。但讓國人尷尬的是，窄線寬激光器最關鍵的部件——超穩光學參考腔長時間被國外廠商壟斷。國內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星導航、國防建設、空間探索這些領域發揮著重要作用，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品，那將來國外一旦實施技術禁運怎么辦？國家想要建設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鍵技術，所以必須得抓緊解決這些關鍵問題。”

在國家重大科研儀器設備研制專項和國家自然科學基金的支持下，劉濤帶領授時中心的窄線寬激光器研究小組與國內一家企業聯合攻關，全面突破了超低振動敏感設計、超高反光學鍍膜、精密光學冷加工等從設計到加工的一系列關鍵技術，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，與國外同類產品技術水平相當。以此為基礎，劉濤乘勝追擊，進一步攻堅工程應用超穩激光系統在極端環境下大帶寬、低時延和自主運行的技術難題，實現了Hz量級超穩激光自動化穩頻技術，滿足了空間超穩激光系統和地基授時系統等實際應用急需，為衛星重力測量、星間激光測距以及空間引力波探測提供技術支撐。

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中的關鍵可靠性問題。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。”劉濤介紹道，“全世界科研人員都很關注熱噪聲，因為激光器的頻率穩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。”也正是這些獨創性貢獻，讓同行專家們關注到了授時領域的中國聲音。

說光纖：千公里光纖授時達到國際先進水平

完成了超穩光學參考腔的自主研發，精密時間頻率信號的產生有了保證，但要讓光鐘產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、金融等行業廣泛應用的是衛星授時系統，比如美國的GPS和我國的北斗。衛星上載有高精度的時間源，授時設備從衛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備，完成單個設備的時間校準或者多個系統的時間同步。

劉濤為我們介紹道：“衛星授時的優點顯而易見，覆蓋廣、成本低，但隨著時代發展的需要，衛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，比衛星傳遞要高大概三四個量級，能達到衛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。”

衛星授時接收機需要從開放的空間接收導航衛星信號，在接收衛星信號的同時，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設施中使用的衛星授時設備進行欺騙。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備的欺騙和壓制干擾試驗中，無抗欺騙措施的授時設備“全軍覆沒”，輸出了錯誤的時間。

“利用信號模擬器產生虛假衛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，光纖授時的優勢就顯而易見。”提到光纖授時，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定；而且，光纖資源也非常豐富，可以說已經深入千家萬戶。除此以外，它最突出的優點是安全性好，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”國家重大科技基礎設施——高精度地基授時系統的研制與建設任務，光纖授時系統將在全國兩萬公里光纖網絡上實現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”項目的總體總師，幾年的時間中，劉濤帶領光纖授時研發團隊潛心鉆研，自主提出采用超大分頻、超低噪聲放大等技術，解決長距離光纖中大動態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，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器、網絡化時間同步系統等技術裝備。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”衛星導航測試評估系統和長短波授時系統。

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飛速發展，在天地一體化信息系統等重大科技平臺上大展拳腳。

說團隊：通力協作才是精英團隊

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備、前沿的課題，而且還有整個科研團隊合作攻關的能力。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作。

“在國外，良好的學術氛圍確實讓我更好地完成了知識積累。國外的學術交流很多，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。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，通力協作是團隊攻堅中最重要的能力。”

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”重大科技基礎設施項目“高精度地基授時系統”兩方面科研任務，挑戰是巨大的。面對工程研制以及試驗測試等層出不窮的挑戰，劉濤根據項目任務要求和團隊人員的知識結構，組建了空間窄線寬激光器和光纖授時兩個團隊，專業領域覆蓋了多個方向：“我們已經在實驗室關鍵技術突破的基礎上，繼續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，還包括結構、熱學、軟件、可靠性等。科研工作的前瞻性和多學科的交叉性，必然要求科研團隊齊心協力、協力攻關，才能圓滿完成任務。”

中國科學院國家授時中心雖然是我國唯一全面專業深耕時間頻率領域的科研機構，但因為地處西北，團隊的建設與發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。”在這種背景下，劉濤一方面用事業、情懷、委以重任等多措并舉的帶隊策略激勵大家，另一方面，通過培養或聯合培養研究生，廣泛開展國內、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所等國內單位開展工程技術協作，借力外部資源和人才優勢，保障科研任務的圓滿完成。

在這位身先士卒的帶頭人引領下，科研能力和創新能力并重的研究團隊大展身手。近5年，相關成果申請國家發明專利23項，授權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”、陜西省科技創新中青年領軍人才、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，也將生發出未來科技的無限可能。