精密测量院在光钟大地测量领域取得重要进展

近日，精密测量院黄学人研究团队在光钟大地测量研究领域取得重要进展，团队成员在小型化可搬运光钟平台上利用关联谱技术实现超越激光相干性限制的光钟比对测量，证实了该方案在光钟大地测量应用中的显著优势。相关研究成果近期发表在国际知名期刊《应用物理评论》（Physical Review Applied）上。

光钟大地测量是原子与分子物理和大地测量实现学科交叉的典范。根据爱因斯坦广义相对论所预言的引力红移效应，工作在地球表面附近的原子钟，其1.1E-18大小的相对频率变化对应着1cm的高程变化，这意味着利用高精度光钟也可以进行大地测量。随着光钟精度的快速提高，光钟大地测量应用也越来越被人们所关注。作为一种独立的高精度大地测量方法，它有望成为统一全球高程基准的最有效手段之一，其广泛应用对构建“数字地球”和研究全球环境变化及海洋地形分布等有着重要的意义。

    小型化可搬运光钟便是上述应用的核心工具。通常来说，采用相干时间更长的超窄线宽激光稳频系统是提高测量精度的最常见手段，但其系统复杂性会牺牲可搬运光钟的鲁棒性和紧凑性。为适应大地测量中复杂多变的野外环境，研究团队提出发展一种基于关联谱的光钟比对技术，以降低对高性能超窄线宽激光稳频系统的依赖，从而提高光钟的移动可靠性和灵活性。在探索解决如何提高两套远距离的单离子量子体系之间的相干性，以及如何对关联谱线实现跟踪锁定和频差信息提取等一系列难题后，最终实现该新方案下的光钟比对测量。在此基础上，研究人员首次演示了基于普通的稳频激光（线宽约200Hz）实现光钟大地测量应用，其比对测量的稳定度达到6E-15/sqrt(tau)，这个结果比采用同性能激光的传统光钟比对方法提高了20倍，并优于团队之前采用1Hz超窄线宽的稳频激光所获得的6.8E-15/sqrt(tau)传统比对稳定度。新的技术方案优势显著，对推动光钟大地测量早日走向实际应用意义重大。

(1) 基于小型化可搬运光钟的实验方案，其中两套独立的钙离子系统分别处于不同的海拔高度

(2) 利用线宽约200Hz（相干时间约2.6ms）的普通稳频激光分别进行传统拉比谱线模式（探询时间2ms）和关联谱模式（探询时间100ms）下的光钟比对稳定度

(3) 利用关联谱方法演示光钟大地测量应用，其高程差结果与传统方法高度吻合

该研究成果近日以“Demonstration of chronometric leveling using transportable optical clocks beyond laser coherence limit”为题发表在国际学术期刊《应用物理评论》上。袁易和崔凯枫为共同第一作者，曹健和黄学人为共同通讯作者。

小型化可搬运光钟的研究长期得到科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等部门长期以来的大力支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.21.044052