全球气候变化和环境污染问题日益严重，精准监测大气成分的技术愈发重要。中国科学技术大学的研究团队，包括潘建伟、窦贤康、张强和薛向辉，近期通过发展大功率低噪声光梳技术，结合先进的量子精密测量方法，实现了百公里级的开放大气双光梳光谱测量。这一开创性的研究成果于9月12日在线发表在《自然-光子学》（Nature Photonics）上。
大气光谱学是通过分析光与大气中分子和颗粒的相互作用，来研究大气的化学和物理特性。其应用领域包括全球气候变化评估、碳预算分析和空气质量监测等。当前，主流的光谱测量技术如光栅光谱仪、外差光谱幅度计和傅里叶变换光谱仪，虽然能够在不同时间和空间分辨率下提供大气成分的光谱数据，但它们也存在局限性。例如，一些技术无法在夜间进行测量，或者无法同时测量多种气体成分。
在此背景下，开放大气双光梳光谱技术展现出其独特优势。这种技术不仅具有高速度的采集能力，还能够实现至原子钟级别的频率精度，并可同时测量多种气体。这使得双光梳光谱在油田监测、城市排放监管、畜牧业排放检测和温室气体监测等方面应用广泛。与传统技术相比，双光梳光谱不受湍流散斑和背景噪声的干扰，能够在不需要复杂校准的情况下进行远程测量，显示出其在大气遥感中的广泛应用潜力。
该研究团队提出的新型双基站开放大气双光梳光谱测量方案，是传统单基站方案的一次重要升级。传统方案在远端需要设置反射器，而新方案允许光束仅在待测路径上经过一次，从而显著减小链路损耗。这一创新大大提高了远距离和大规模环境下的测量效率。科研人员利用这一新方案，在中国乌鲁木齐进行了113公里范围内的开放大气水汽和二氧化碳强度谱与相位谱的测量，打破了目前国际上20公里的测量极限，提升了一个数量级。
值得一提的是，这一成果结合了潘建伟、张强等之前所研发的高精度自由空间时间频率传递技术，其频率准确度高达10kHz，同时采用自主研发的高精度反演算法，使二氧化碳的反演精度在36分钟内低于0.6ppm。这不仅是光谱测量技术的一个重大突破，也是量子信息科学与地球科学深度融合的体现。
该成果的意义不仅在于提高了双光梳光谱测量的有效距离，更在于其广泛的应用前景。通过获得更长距离的测量能力，这一技术能够扩展到全球尺度的温室气体监测与精确校准工作，为大城市、森林和其他大面积区域的环境监测提供了新的可能。
此外，研究团队指出，该系统即使在最大损耗达到83dB的情况下也能正常工作，这一性能与中高轨道卫星与地面之间的链路损耗相当。这为未来的星地双光梳光谱测量奠定了基础，使得从地面到太空的大气气体监测成为可能。
