封面解析
导读
中国科学院国家授时中心张首刚、董瑞芳团队创新提出基于频率纠缠光源的双向量子时间同步方案，系统攻克“理论-技术-应用”瓶颈，推进量子时间同步从前瞻研究走向实际应用。本文重点介绍了团队在双向量子时间同步领域取得的实验进展，展现了量子时间同步在高精度、高安全性授时系统中的应用潜力。
双向量子时间同步研究进展
作者：董瑞芳1,2，项晓1，权润爱1，洪辉博1,2，师冰轲1,2，刘涛1,2，张首刚1,2*
作者单位：1.中国科学院国家授时中心，中国科学院时间基准及应用重点实验室；2.中国科学院大学天文与空间科学学院
摘要：量子时间同步是量子技术与时间频率技术相融合的交叉前沿技术。利用频率纠缠双光子源的内禀非定域时间关联性，双向量子时间同步不仅能将现有时间同步精度提高1～2个数量级，同时具备内在安全性优势，为大幅提升授时精度和保障授时安全性提供了新一代变革性技术方案。重点介绍了中国科学院国家授时中心在双向量子时间同步领域取得的研究进展：建立了双向量子时间同步准确度评估模型；在国际上首个报道了10 fs级超高精度量子时间同步实验演示案例；先后在2 km自由空间+7 km实地光纤混合链路、百km实地光纤链路以及250 km超长距离光纤链路上成功实现了亚皮秒级时间传递演示，充分验证了该技术在大损耗、强噪声环境中的高精度同步应用能力；同时，通过实验研究证实了量子时间传递系统的安全性优势。这些研究成果不仅标志着我国在长距离光纤量子安全时间传递领域取得了重要进展，更为未来构建大规模量子网络提供了高兼容性的时间同步解决方案。
关键词：频率纠缠双光子源；双向量子时间同步；高精度；安全性；授时技术
文章主要内容
面向量子时间同步技术的实用化，中国科学院国家授时中心张首刚、董瑞芳团队在2017年创新提出了双向量子时间同步协议。相比其它量子时间同步协议，双向量子时间同步协议不需要任何平衡锁定，有效抵消了传递路径引入的时延误差，且具有高准确度和高稳定度的优势。同时，频率纠缠双光子的量子特性——单光子传输的不定时性和双光子的强时间关联性——使其天然兼具加密属性。基于双向传递的特点，该协议可以有效规避时间同步系统可能存在的对称时延攻击；进一步结合量子非定域性验证，可实现对可能存在的拦截-重发时延攻击的高灵敏检测。图1所示为基于光纤链路的双向量子时间传递原理示意图（传输路径不仅限于光纤介质，也可拓展至自由空间传输），待同步的2台原子钟分别部署于A、B两地。每个站点均配备频率纠缠双光子源、高精度事件计时器（Time Tagger Unit，TTU）及2台单光子探测器等核心设备。频率纠缠双光子源可产生1对光子，每1个光子（称为信号光子）都有和其唯一对应的孪生光子（称为闲置光子），这2个光子的频谱分布特性具有强关联性。基于频率与时间互为倒数的物理特性，经过传输后的双光子对在到达时间上也呈现出极强的相关性，其时间关联宽度可达到百飞秒甚至几飞秒。这一特性使得纠缠光子对能够作为精确的“天然时间戳”信号，为实现高精度时间信息比对提供可靠保障。光纤环行器（OC1和OC2）和长度的光纤把A、B两地的时间戳信号连接起来，构成双向回路。频率纠缠双光子源A产生的信号光子经光纤链路传输至B地，并由单光子探测器D2探测，闲置光子在本地经过色散补偿介质后由单光子探测器D1探测。类似地，频率纠缠双光子源B产生的信号光子经光纤链路传输至A地，并由单光子探测器D4探测，闲置光子在本地经过色散补偿介质后由单光子探测器D3探测。
图1 基于光纤链路的双向量子时间传递原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of two⁃way quantum time synchronization protocol based on optical fiber link
结论与展望
基于频率纠缠光源的双向量子时间同步技术与生俱来的高精度和安全性优势，使其成为突破传统授时系统精度和安全性瓶颈的关键使能技术。鉴于其展现的应用潜力，双向量子时间同步协议已被美国航空航天局写入2023-2032年深空探测科学研究专题白皮书。加拿大量子科学卫星项目在2025年发布的白皮书中专门指出双向量子时间同步技术展示了优于60飞秒时间同步精度的能力。当前，双向量子时间同步技术已呈现长距离、实用化发展趋势，其实用化技术的持续突破和逐步应用将为国家时频体系的建设带来新的变革。
作者简介
董瑞芳，中国科学院国家授时中心研究员，博士生导师，主要从事量子时间同步和高精度时间频率传递研究。迄今在Nature Physics，Science Bulletin，Laser&Photonic Reviews等学术期刊发表论文140余篇，授权发明专利51项，主持多项国家自然科学基金重点/面上项目等。入选国家高层次人才计划“青年拔尖人才”、陕西省中青年科技创新领军人才、中国科学院三八红旗手；获第十四届陕西省青年科技奖。
张首刚，中国科学院国家授时中心主任，研究员，博士生导师，围绕自主、安全和高性能的国家时频体系发展，长期从事量子时间测量、天文时间测量和时间频率传递研究，曾获国家杰出青年科学基金、新世纪百千万人才工程国家级人选，享受国务院政府特殊津贴专家，授权中外发明专利89件，发表学术论文300余篇，合作专著2部。目前作为首席科学家，承担“空间站高精度时频实验系统”和国家重大科技基础设施“高精度地基授时系统”研制任务。
科研团队介绍
团队名称：
中国科学院国家授时中心量子时间同步研究团队
团队负责人：
张首刚（研究员国家授时中心主任）、董瑞芳（研究员）
主要成员：
权润爱（研究员）、项晓（副研究员）、刘涛（研究员）、曹明涛（研究员）、李杏花（副研究员）、刘妤婷（助理研究员）、李娟（助理研究员）、洪辉博（特别研究助理）、师冰轲（特别研究助理）、夏志广（特别研究助理）、刘鹏（特别研究助理）
研究方向：
开展量子时间同步技术及其应用研究。同时开展量子光频梳产生及其应用、量子微波光子技术等研究，参与光纤时间频率传递技术研究。
科研成果：
近五年来，承担了国家自然科学基金重点项目、某部预先研究专用技术、科技创新-2030重大项目课题等多项科研项目，推进量子时间同步从原理演示迈向实地应用，在实验室光纤上实现国际首个十飞秒级稳定度量子时间同步，并在2 km强湍流自由空间、百公里城市光纤等多场景下验证其应用优势，支撑形成量子时间同步“理论方案-核心技术-应用验证”全链条创新体系。
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引用格式：董瑞芳，项晓，权润爱，等. 双向量子时间同步研究进展［J］. 计测技术， 2025， 45（4）： 1-11.
Citation：DONG R F， XIANG X， QUAN R A， et al. Research progress on two⁃way quantum time synchronization［J］. Metrology & Measurement Technology， 2025， 45（4）： 1-11.
