1905 年，愛因斯坦在他的論文中第一次介紹了狹義相對論。在文章的第一段中，他將時間定義為「表上小指針的位置」，就是說時鐘表示的時間只是在表周圍緊鄰的範圍內才是正確的。然後，他討論了利用電磁波信號交換來同步遠程時鐘的可能性，並意識到時鐘網絡可以用來提供空間和時間的信息。這種時鐘網絡今天已經實現，其中最著名的就是全球衛星導航系統(GNSS)，如GPS和Galileo系統。此外，時鐘網絡在很多應用中大顯身手，例如觀測宇宙學、電信，甚至高頻交易等。提升時鐘網絡性能不僅會改善現有的應用，同時也會催生新應用，比如最近出現的利用廣義相對論引發重力場中的頻率紅移來研究地球重力場分布，這就是基於時鐘網絡而展開的。
近年來，在位於科羅拉多州博爾德的國家標準與技術研究所，Nathan Newbury 與他的同事們積極地開展研究，希望通過開發新的方法，利用雷射在自由空間中實現時鐘同步(見圖)，將這一網絡的的精度提高到新的層次。他們現在展示了僅有飛秒不確定度的完整的時鐘同步，這一令人矚目的進展與現今任何其他自由空間同步技術相比提升了超過3個量級。
時鐘網絡的改進要求更好的時鐘和更好的遠距離同步方法。在過去的十年中，單個原子鐘的精度提升了兩個量級以上，今天最好的時鐘每天累計的時間誤差小於10 fs，而且這種提升似乎可以沒有止境。但是，遠距離進行時鐘同步的技術並沒有跟上，最好的無線電或光學方法的不確定度仍然在幾十皮秒以上。實驗室中基於光纖的技術可以彌補這些高精度時鐘與遠距離同步精度之間的巨大差異。但是這種技術無法適應洲際遠距離應用，對於重力場分布等科學研究需求也不切實際，它也不適合空間時鐘網絡的應用(如GNSS等)。人們嘗試了將光纖技術轉移至自由空間，目前已實現幾公裡遠的時鐘比對並成功獲得了頻率不確定度達到10-18以下的結果。但是，能達到最好的時鐘水準的完整同步還無法實現，因為這不僅包括遠距離時鐘的同頻，還包括同一時間基準。
假想圖：未來時鐘網絡利用雷射(紅)實現與地面以及與衛星之間的時鐘同步。Newbury 與同事展示了這種連接可以使不確定度低至飛秒級別。這是構建可達這種不確定度的完整時鐘網絡的關鍵一步
Newbury 與同事的新研究的主要進展就是展示了這種完整的同步，他們的方法基於飛秒頻率梳技術。這一技術中雷射器持續發出短脈衝(約100 fs)，每秒發出的脈衝達到一億個。這種雷射器使得他們可以同時解決兩個問題：第一是按照原子頻率標準產生一個連續的時間標尺，即產生特殊的、具有飛秒時間解析度的「時間標籤」；第二個是將它們傳輸到遠距離時鐘並且以相同的飛秒時間解析度準確地加以識別。頻率梳技術使得高的光學頻率被減至1 億赫茲(Hz)的水平，從而可以實現探測。進一步降低頻率達到完整同步的最終技巧是利用嵌套信號，其原理是將幾個頻率逐漸降低的信號疊加在一起，每一個信號的解析度可以確定地鑑別前一個信號。這種嵌套方法在無線電波領域已經應用了幾十年，但是Newbury和他的同事們首次在光頻區完整地演示了這一過程，最終的不確定度達到初始雷射周期(fs)，這與任何無線電方法相比超出了幾個數量級。這個結果是建設具有飛秒水平不確定度的完整的時鐘網絡的重要一步。
儘管這些結果已經令人印象深刻，但是使全球性時鐘網絡達到飛秒級別，接下來的挑戰也同樣艱巨。其中主要的一項是將這個相對基礎的、只有數公裡遠的實驗驗證延伸為全球範圍的自由空間雷射連接——最具挑戰性、最有價值的應用(如GNSS或者廣義相對論的驗證)需要衛星—地面或者衛星—衛星連接。這方面正在開展的一些前瞻性的研究著眼於處理高速運動的衛星及產生的都卜勒效應，以及大氣湍流擾動等限制因素。因此，人們還有很長的路要走。
(北京大學王樹峰編譯自Peter Wolf. Physics，May 11，2016)
更多內容詳見： Jean-Daniel Deschê nes et al. Phys. Rev. X，2016，6：021016。