NASA的Goddard太空飞行中心团队研发高精度时钟同步技术以提升太空探索计时精度

在地球上，你的手表慢几秒可能没什么大不了的。但关键的航天器功能需要精确到十亿分之一秒或更短的时间。例如，使用 GPS 导航依赖于卫星发出的精确计时信号来定位。位于马里兰州格林贝尔特的 NASA 戈达德太空飞行中心的三个团队正在努力将太空探索的计时精度推向新的水平。

• 一个团队开发了高精度量子时钟同步技术，以辅助重要的航天器通信和导航。

• 戈达德的另一个团队正在致力于在太空平台中采用时钟同步技术，使望远镜能够像一个巨大的天文台一样运作。
• 第三个团队正在开发基于金属化学元素锶的航天器原子钟，以实现现有技术无法实现的科学观测。

为了满足对越来越精确的计时的需求，美国宇航局戈达德中心的团队在该中心内部研究与开发计划的支持下，利用量子和光通信等创新技术来提高时钟精度和同步性。

太阳系同步

美国宇航局戈达德研究员亚历杭德罗·罗德里格斯·佩雷斯表示：“社会需要时钟同步来实现许多关键功能，例如电网管理、股票市场开盘、金融交易等等。美国宇航局使用时钟同步来确定航天器的位置并设置导航参数。”

如果你把两个时钟排成一排并同步，你可能会认为它们会永远以相同的速度走时。但实际上，时间越长，时钟就越不同步，尤其是当这些时钟在以每小时数万英里的速度行驶的航天器上时。罗德里格斯·佩雷斯 (Rodriguez Perez) 试图开发一种新方法，利用量子技术精确同步这些时钟并保持同步。

在量子物理学中，当两个粒子表现得像一个物体并同时占据两种状态时，它们就会发生纠缠。对于时钟而言，将量子协议应用于纠缠光子可以实现精确且安全的方式，实现远距离时钟同步。

同步协议的核心是自发参量下转换，即一个光子分裂并形成两个新光子。两个探测器将分别分析新光子出现的时间，然后设备将应用数学函数来确定两个光子之间的时间偏移，从而同步时钟。

虽然目前使用 GPS 进行时钟同步，但该协议可以使在 GPS 访问受限的地方（如月球或深空）精确同步时钟。

同步时钟、连接望远镜，获得前所未有的更多观测结果

对于天文学来说，通常的经验法则是望远镜越大，图像越好。

“如果我们能拥有一台和地球一样大的望远镜，我们就能获得分辨率极高的太空图像，但这显然不切实际，”NASA 戈达德光学物理学家关阳说。“然而，我们可以在不同地点安装多台望远镜，让每台望远镜以高时间精度记录信号。然后我们可以将它们的观测结果拼接在一起，生成超高分辨率图像。”

将多个小型望远镜网络的观测结果连接在一起，以影响大型望远镜的功率，这种想法被称为甚长基线干涉测量法，或VLBI。

为了使 VLBI 产生整体大于各部分之和的结果，望远镜需要高精度时钟。望远镜记录数据的同时，还记录数据记录的时间戳。高性能计算机将所有数据组合成一个完整的观测结果，其细节比任何一台望远镜单独实现的都要多。正是这种技术让事件视界望远镜的观测站网络能够拍摄出我们银河系中心黑洞的第一张图像。

杨的团队正在开发一种时钟技术，该技术可能对将该技术从地球带到太空的任务有用，从而可以解锁更多的发现。

为太空旅行打造的光学原子钟

目前，航天器导航系统依靠机载原子钟来获得尽可能准确的时间。美国宇航局戈达德航天中心的物理学家霍莉·莱奥帕迪正在研究光学原子钟，这是一种更精确的原子钟。

虽然光学原子钟已在实验室环境中存在，但 Leopardi 和她的团队仍在寻求开发可用于航天器的版本，以提供更高的精度。

该团队致力于研究光学原子锶离子钟 (OASIC)。目前的航天器使用微波频率，而 OASIC 使用光学频率。

“光频率比微波频率振荡得快得多，因此我们可以获得更精细的计数分辨率和更精确的计时，”Leopardi 说。

OASIC 技术的精确度比之前最先进的航天器原子钟高出约 100 倍。精确度的提高可以实现以前不可能实现的新型科学研究。

“当你使用这些超高精度时钟时，你就可以开始观察太空中发生的基本物理变化，”Leopardi 说，“这可以帮助我们更好地理解宇宙的机制。”

这些团队解锁的计时技术可能会帮助我们在太阳系及更远的地方发现新东西。