光ファイバータイミングにより、時間伝送がより「ハードコア」になります。高精度な時間は将来どのように応用できるのでしょうか？

サイエンスタイムズ記者の叙事詩

太陽光が日時計を照らし、巨大な石の円盤の表面に鮮明な影を落とします。日時計が回るにつれて、時間は速くもなく遅くもなく、止まることなく静かに流れていきます。

時間は、出来事が発生した瞬間とその継続時間を表すもので、現在最も正確に測定され、広く使用されている物理量です。最近、中国科学院国家時間サービスセンターが主導する「高精度地上計時システム」の研究と構築が新たな進展を遂げた。チームは西安から太原までの1,839キロメートルのデュアルファイバーデュアルチャネル時間転送システムの機器設置と性能テストを完了し、中国が世界初となる10ピコ秒の安定性を備えた1,000キロメートルの光ファイバー時間転送エンジニアリングアプリケーションシステムを構築したことを示した。

日時計や砂時計から機械式時計やクオーツ時計、今日の原子時計、そして将来の高精度の地上計時システムに至るまで、時間との戦いはミリメートルとの競争です。

10 ピコ秒とはどういう意味ですか?

時間の「刻み」は、私たちがよく 1 秒と呼ぶものです。 「1ピコ秒は1兆分の1秒に相当し、1秒の小数点を12桁進めるのに相当します。時刻伝送の安定性は10ピコ秒のオーダーに達しており、これは「北京時間」の時刻精度が1000億分の1秒に達したことを意味します。」中国科学院国家時間サービスセンターの准研究員である陳江氏はサイエンスタイムズの記者に語った。

時間はどこにでもありますが、一般の人々は時間管理の概念を持たず、高精度の時間の価値を理解するのが難しいことがよくあります。 「この成果により、既存のタイミング精度が1,000倍向上しました。」陳江氏は、私たちがよく知っている飛行機、軍艦、戦車、ミサイルなどは、衛星からの信号が到達するまでの時間を計算することで、自らの位置を判定し、進路を修正できると述べた。

陳江氏は、大陸間弾道ミサイルの最高飛行速度がマッハ26（秒速8,800メートル）に達したと例を挙げた。正確に目標を命中させるためには、ミサイルは 1000 分の 1 秒の時間精度要件を満たす必要があります。 0.3 秒の偏差は、目標から 2.6 キロメートルの偏差になります。防衛上、ミサイル迎撃に必要な時間精度は1万分の1秒に達しなければならない。

衛星タイミングの欠点を補う

時刻同期とは、有線および無線の技術的手段を通じて国家標準時刻をユーザーにブロードキャストするプロセスです。 「光ファイバータイミングは、光ファイバーを伝送チャネルとして使用し、レーザーを情報キャリアとして使用する、新しい高精度の時間と周波数の信号伝送方法です。」陳江氏は、光ファイバー時刻転送システムは地上ベースの高精度タイミングシステム全体の基礎であり、現在、最も応用の見通しが良く、伝送精度が最も高いタイミング方法であると述べた。

現在、米国のGPSや我が国の北斗など、衛星タイミングシステムが広く使用されています。 「衛星タイミングの利点は、カバー範囲が広くコストが低いことですが、開発のニーズにより、衛星タイミングの精度向上にもボトルネックが生じています。」陳江氏は、衛星タイミングの信頼性は比較的低いと説明した。たとえば、衛星タイミング受信機は、オープンスペースからナビゲーション衛星信号を受信する必要があり、地上や低高度からの無線干渉の影響を受けやすく、タイミングの精度と信頼性に影響を及ぼします。

陳江氏は、光ファイバーを使った時間と周波数の信号の送信精度は衛星のタイミングをはるかに上回っていると述べた。 「光ファイバータイミングは光ファイバー通信システムと互換性があり、光ファイバー通信ネットワークを利用してネットワーク化された光ファイバータイミングシステムを構築することができます。これにより、タイミングシステムの信頼性と攻撃耐性が大幅に向上し、さまざまなユーザーのニーズを満たすことができます。」

保護するための革新的な技術

広範囲にわたる高精度の時間同期を実現するために、チームは実際の光ファイバーリンク上に「ビッグネットワーク」を構築しました。この複合ネットワークは、リンク上のサイトを直列に接続し、サイト間の時間同期における伝送エラーの継続的な蓄積を回避するマルチユーザー テクノロジに基づいています。

光ファイバーリンクの伝送中、段階的に蓄積されるノイズ干渉に遭遇することは避けられません。 「研究チームは浄化技術において画期的な進歩を遂げ、発生する騒音を排除した」と陳江氏は語った。

システム全体の信頼性の高い動作を確保するには、安定した光源が不可欠です。陳江氏は、チームが送信光源として低位相雑音の超安定光源を開発し、光ファイバー光周波数カスケード伝送技術を採用して、一挙に長距離拠点間の高精度光周波数伝送を実現したことを明らかにした。

ネットワーク アーキテクチャの観点から見ると、光ファイバー タイミング システムはデュアル ライン伝送を使用し、リンク上のどのタイミング ステーションでも、上流方向と下流方向の両方から時間と周波数の信号を受信できます。 「華北と華南の光ファイバーリングネットワーク構造を考慮して、単一点の回線障害によるタイミング信号の中断の発生を減らすために、複数の光ファイバータイミングルートが設定されています」と陳江氏は述べた。

陳江氏は、今後わが国は総線路長約2万キロメートル、時間同期精度100ピコ秒、周波数伝送安定性19桁の世界初の高精度光ファイバータイミングオペレーションシステムを構築する予定であると紹介した。その時、高精度の時間と周波数が光ファイバーを通じて祖国の雄大な山や川を越えて伝わり、より多くの主要な科学技術プラットフォームに影響を及ぼすことが期待されます。