——记中国科学院国家授时中心研究员刘涛
　　
李明丽

　　
　　
　　阳光穿过晷针，在巨石圆盘上投射出清晰的针影，光与影的交替中，日晷抓住了时间的形迹，世界从混沌变得清晰可控。
　　几千年以后，当人类迈入智慧化时代，十二时辰早已成为过去，分秒之争也无法完全满足今日科技的需求。我们需要精准捕捉千亿分之一秒的瞬间，太空飞船与目标飞行器才得以严密对接、海底隧道的沉管可以整齐划一地平移、5G通信有望搭载着时间同步的通讯基站覆盖全球……
　　这一次，成功捕捉到时间的，是中国科学院国家授时中心的研究员刘涛。
　　
说授时：应用是我探索科学的终极目标
　　刘涛攻读博士时专注于冷原子物理领域的实验研究，在德国马普光科学研究所、丹麦哥本哈根大学作博士后期间，他逐步深入到光钟领域的研究。初衷简单又赤诚，求学阶段探索基础和前沿研究，工作后则注重科学与应用的结合，回国后也能为祖国的发展添砖加瓦。就这样，刘涛与授时研究结下了不解之缘。2010年8月回国后，顺理成章地进入中国科学院国家授时中心工作。
　　时间在日常生活中无处不在，但普通百姓往往对授时没有概念，也不了解高精度时间的价值。实际上，从日晷、沙漏，到机械钟、石英钟，再到今天的原子钟……时间精度的飞速提高，体现着人类探索自然、征服自然的强大力量和最高智慧。作为目前最精准的基本物理量，时间一直在国防、通信、证券、航空等领域扮演着重要的角色。许多其他物理量，如长度、电压等，都可由时间导出。飞机、军舰、战车、导弹等都可以通过计算信号从卫星到自身所用的时间来确定自身位置、校正航向。一位美国科学家曾举例说，如果导弹的计时误差是十亿分之一秒的话，其击中目标的误差则是10英尺，相当于3米多。
　　因此，全球科学界都极为重视时间频率的精度。高精度时间频率是2018年美国14项出口管制领域之一——位置导航时间的核心；我国新一代授时系统建设也已顺利立项并即将投入建设。
　　为了取得更精准的时间，目前世界各国都采用原子钟来产生和保持标准时间，这就是“时间标准”，而通过电话、互联网、卫星等各种手段将时间信号送达用户的整套服务系统，就称为“授时系统”。
　　授时就是把国家标准时间，通过有线和无线的技术手段发播给用户。发播授时信号的物理装置，就是授时系统。形式有很多种：有线可以通过电缆、电话线、通信网络和专用光纤等传递时间信息;无线可以通过短波、长波、激光，还可以通过卫星等电磁波传播时间信息，将来可能通过量子技术实现更高精度和更安全的时间传递。采用不同的技术，可以满足不同用户在不同环境下对于授时的要求。
　　中国科学院国家授时中心长期从事时间频率领域的基础和应用研究，具有国内最大的守时钟组，运行着30多台原子钟，还承担着我国标准时间——“北京时间”的产生、保持和发播任务。扎根临潼，与国际一流的时间频率科研团队和平台相伴，可以看到中国时间扎扎实实朝前走的“脚印”，刘涛的科学理想找到了归属。
　　
说光钟：自主研发高精度光学参考腔，彻底打破国际垄断
　　光钟是目前计时精度最高的原子钟，利用它对时间度量的精度可以达到10-18量级，或者说，相当于一台连走160亿年也不会产生1秒误差的时钟。以光钟为代表的时间频率研究飞速发展，引发了时间频率领域从产生到传递的一系列变革，科学家公认光钟将用来重新定义下一代时间频率基准。
　　由于光钟的稳定性受限于窄线宽激光的频率稳定性，刘涛将窄线宽激光器列为了自己主要的研究课题。在光钟研究中，窄线宽激光器被称为“本地振荡器”，用激光探测装载在光晶格中的冷原子或被囚禁的单个冷离子，可获得线宽超窄且频率极稳定的钟跃迁谱线，进而实现高精度的光钟。
　　窄线宽激光器不仅是光钟的核心，还是卫星重力测量、星间激光干涉测距以及空间引力波探测等空间研究的重要工具，随着航天技术的发展，世界各国都争相开展太空领域的光钟研究，以抢占时间频率研究的制高点，达到卫星导航、空间探索的新高度。但让国人尴尬的是，窄线宽激光器最关键的部件——超稳光学参考腔长时间被国外厂商垄断。国内一直无法自主研制核心部件，这让刘涛意识到了巨大的隐患：“由于高精度时间频率在卫星导航、国防建设、空间探索这些领域发挥着重要作用，所以很可能会受到国际政治形势的波及。如果我们一直依靠从国外厂商购买产品，那将来国外一旦实施技术禁运怎么办？国家想要建设新一代时间频率体系，尤其当时咱们中国空间站科学应用平台也急需这种关键技术，所以必须得抓紧解决这些关键问题。”
　　在国家重大科研仪器设备研制专项和国家自然科学基金的支持下，刘涛带领授时中心的窄线宽激光器研究小组与国内一家企业联合攻关，全面突破了超低振动敏感设计、超高反光学镀膜、精密光学冷加工等从设计到加工的一系列关键技术，自主研制出了我国首个面向空间应用的高精细度球形光学参考腔，打破了美国的技术垄断。
　　测试表明，刘涛团队研制的球形光学参考腔的精细度约为200000，与国外同类产品技术水平相当。以此为基础，刘涛乘胜追击，进一步攻坚工程应用超稳激光系统在极端环境下大带宽、低时延和自主运行的技术难题，实现了Hz量级超稳激光自动化稳频技术，满足了空间超稳激光系统和地基授时系统等实际应用急需，为卫星重力测量、星间激光测距以及空间引力波探测提供技术支撑。
　　这些突破，基本满足我国空间站科学应用的迫切急需，解决了空间站和地基授时系统中的关键可靠性问题。自此，刘涛开始担任我国921空间站窄线宽激光器分系统负责人，目前正开展初样研制工作。
　　“在科研过程中，我们也做了一些光学参考腔的理论研究。”刘涛介绍道，“全世界科研人员都很关注热噪声，因为激光器的频率稳定度受限于热噪声极限。但这个极限理论的模型还不是很完备，我们在研究中扩展了理论模型，对热噪声进行了更全面的解释，并对影响其极限的因素进行了细致的分析。”也正是这些独创性贡献，让同行专家们关注到了授时领域的中国声音。
　　
说光纤：千公里光纤授时达到国际先进水平
　　完成了超稳光学参考腔的自主研发，精密时间频率信号的产生有了保证，但要让光钟产生的高精度时间能够服务于全国各地的用户，还得建立相应的时间频率传递体系。
　　目前，在通信、交通、金融等行业广泛应用的是卫星授时系统，比如美国的GPS和我国的北斗。卫星上载有高精度的时间源，授时设备从卫星的信号上获取标准的时间信息，通过各种类型的接口传输给各地需要时间信息的设备，完成单个设备的时间校准或者多个系统的时间同步。
　　刘涛为我们介绍道：“卫星授时的优点显而易见，覆盖广、成本低，但随着时代发展的需要，卫星授时精度的提升也遇到了瓶颈。想要进一步提高精度满足更多的需求，就得研发新的手段，光纤授时就是一种精度最高的选择，目前来看，比卫星传递要高大概三四个量级，能达到卫星一千倍或一万倍的程度，有很好的应用场景。我的研究方向，就是用光纤来做时间频率传输。”
　　卫星授时接收机需要从开放的空间接收导航卫星信号，在接收卫星信号的同时，容易受到来自地面以及低空的无线电干扰，无论这干扰是有意还是无意，都会影响授时精度及可靠性。更可怕的是，有一些黑客或恐怖组织，还有可能对国家基础设施中使用的卫星授时设备进行欺骗。2014年10月，美国国土安全部官员在CSCC会议上称，在美国当前基站主用授时设备的欺骗和压制干扰试验中，无抗欺骗措施的授时设备“全军覆没”，输出了错误的时间。
　　“利用信号模拟器产生虚假卫星信号对授时接收机进行欺骗并不难。一个像烟灰盒那么大的小干扰器，就可以把卫星信号干扰掉。伊朗就通过干扰信号，捕获过美国中央情报局的无人侦察机。同时，卫星授时依托大气通道，信道噪声也比较大。而与之相比，光纤授时的优势就显而易见。”提到光纤授时，刘涛兴致勃勃地说：“光纤深埋在地下，受到的干扰相对较少，所以它的信道就比较稳定；而且，光纤资源也非常丰富，可以说已经深入千家万户。除此以外，它最突出的优点是安全性好，一根线在地下埋着，抗干扰能力极强，非常适合提供高精度、高可靠的授时服务。”
　　国家授时中心牵头承担了“十三五”国家重大科技基础设施——高精度地基授时系统的研制与建设任务，光纤授时系统将在全国两万公里光纤网络上实现E-19量级和100ps的超高精度时间频率信号传递，为科研、信息、交通、国防等领域提供最高精度的时间和频率信号服务。
　　作为“高精度地基授时系统”项目的总体总师，几年的时间中，刘涛带领光纤授时研发团队潜心钻研，自主提出采用超大分频、超低噪声放大等技术，解决长距离光纤中大动态时变相位噪声的精确测量与补偿，千公里实地光纤上光频传递稳定度达到E-19量级，满足我国异地光钟比对急需。除此以外，还攻克了精密时间间隔测量、多用户时间同步、净化再生等技术，解决了皮秒级高精度时延控制及校准等难题，研制了高精度多通道时间间隔计数器、网络化时间同步系统等技术装备。更让刘涛自豪的是，我国首次在千公里实地通信光纤上实现了十皮秒级时间传递，达到了国际先进水平，目前研究成果已应用于我国“北斗”卫星导航测试评估系统和长短波授时系统。
　　在壮美的祖国山河上，高精度时间频率有望搭乘光纤，伴随5G通信、无人驾驶、智慧城市等新兴行业飞速发展，在天地一体化信息系统等重大科技平台上大展拳脚。
　　
说团队：通力协作才是精英团队
　　在世界顶尖研究所做博士后研究的6年时间里，刘涛感触最深的不仅是海外精密的设备、前沿的课题，而且还有整个科研团队合作攻关的能力。在他回国组建自己的科研团队时，最看重的也是整个团队的通力协作。
　　“在国外，良好的学术氛围确实让我更好地完成了知识积累。国外的学术交流很多，在互相学习和探讨的氛围中，我可以不断扩展自己知识的外延。同时让我感受深刻的是，越是有难度的研究课题，越考验团队合作的能力。比如，我从事的光钟研究，几个小组分别进行攻关。人与人、组与组需要共同努力，相互之间做好配合衔接，才能取得最终成果。所以，通力协作是团队攻坚中最重要的能力。”
　　同时承担我国空间站窄线宽激光器研制任务和国家“十三五”重大科技基础设施项目“高精度地基授时系统”两方面科研任务，挑战是巨大的。面对工程研制以及试验测试等层出不穷的挑战，刘涛根据项目任务要求和团队人员的知识结构，组建了空间窄线宽激光器和光纤授时两个团队，专业领域覆盖了多个方向：“我们已经在实验室关键技术突破的基础上，继续向空间和工程两方面努力。工作的难点涉及诸多知识层面，不光是简单的光学、电子，还包括结构、热学、软件、可靠性等。科研工作的前瞻性和多学科的交叉性，必然要求科研团队齐心协力、协力攻关，才能圆满完成任务。”
　　中国科学院国家授时中心虽然是我国唯一全面专业深耕时间频率领域的科研机构，但因为地处西北，团队的建设与发展不可避免地受到了制约，科研人手仍显不足。
　　“我们的工作和一些基础研究不太一样，很多工作都是在做工程中展开。比如，我们的光纤授时团队去年开展千公里级的外场测试，风吹日晒，非常辛苦，但没有一个人叫苦，都在努力完成测试任务。”在这种背景下，刘涛一方面用事业、情怀、委以重任等多措并举的带队策略激励大家，另一方面，通过培养或联合培养研究生，广泛开展国内、国际合作并互派人员访问学习等方式壮大团队。目前，科研团队与德国PTB、法国SYRTE、英国NPL等同行积极开展学术交流，成长迅速；同时，还与上海技物所、中航513所、中航618所等国内单位开展工程技术协作，借力外部资源和人才优势，保障科研任务的圆满完成。
　　在这位身先士卒的带头人引领下，科研能力和创新能力并重的研究团队大展身手。近5年，相关成果申请国家发明专利23项，授权13项；两名青年成员获得国家自然科学基金青年项目支持。刘涛本人先后入选了中国科学院“百人计划”、陕西省科技创新中青年领军人才、陕西省科技新星；突破性成果的接连问世，引起了中国移动、中国电信、江苏广电等多家公司的注目，国家授时中心在应用领域的更多尝试也行将起航。
　　春绿秋白，日月沉降，行踪不定的时间，一点点被人类的智慧驯服。
　　千亿分之一秒或是更高精度的瞬间凝固在国家授时中心，它已伴随着刘涛的理想落地、扎根，也将生发出未来科技的无限可能。