Abstract

This paper proposes a new method for measuring the one-way speed of light based on the rotating double-disk synchronization method, as well as its application in high-end integrated circuit quality inspection. Through the precise coordination of two coaxial rotating disks and a laser transmitter, the speed of light is derived by using the change in the transmissivity of the optical signal between the two disks, and at the same time, the consistency of the permeability and refractive angle caused by the purity of metal impurities in the optical path of the high-end integrated circuit is calibrated and tested. The high purity and uniform particle size distribution of silicon powder enable it to effectively improve the accuracy of optical instruments and reduce measurement errors. The experimental device avoids the reliance of the traditional loop method on the consistency of the speed of light caused by the anisotropy of the round-trip optical path. Theoretical derivation shows that the speed of light and the rotation speed satisfy a linear relationship c = 10mωc/0.01˚. This method provides new ideas for the one-way speed of light measurement and the testing of basic assumptions of relativity, and also provides a simple and practical implementation plan for the cutting-edge innovative design and rigorous quality inspection of high-end quantum optical chips.

1. 引言  

光速测量是物理学史上具有里程碑意义的课题。自伽利略首次尝试测量光速以来，科学家们相继提出了多种方法，如Fizeau齿轮法（1849年）^[1]、Michelson旋转镜法（1926年）^[2]等。然而，这些方法均基于闭合路径的往返时间测量，其隐含假设为“往返光速相同”。爱因斯坦在狭义相对论中提出光速各向同性原理，但该假设无法通过传统实验直接验证^[3]。因为要测量光速就要知道两地之间距离和光走过这段距离所需要的时间，距离可以测量出来，但要知道光走过两地所花的时间就必然先确定两地的时间是同步的，即首先要对时，而目前同步两地时间的方法又需要利用信号（光速），这就存在矛盾，这一矛盾导致理论假设与实验验证之间存在逻辑闭环，单程光速测量的独立性成为亟待解决的科学问题^[11]。  

近年来，随着精密机械加工与光电技术的发展，单程光速测量的实验可行性逐渐提高。例如，Riley等人（2015年）通过光纤延时技术尝试分离光信号的发射与接收路径^[4]，但受限于介质纯度不高，折射率不均匀的干扰。本研究提出一种基于机械同步原理的单程光速测量方案，通过旋转双盘的几何约束直接推导光速值，为检验基础物理假设提供新途径。同时也为检验量子计算机当中的诸多光路的介质纯度质量提供依据，从而为最终解决量子计算机的量子比特的误差累积难题奠定基础。  

2. 实验装置与方法  

2.1.1 设备设计  

实验装置由五部分组成（见图1）：  

(1).双盘系统：两同轴碳钢制超轻型高刚度圆盘间距10m，单盘开孔对应圆心角θ= 0.01˚（孔径d = R sinθ， R为盘半径），前孔与后孔相差0.01度角。孔径容差1%，直径微米等级。

(2).光电系统：前置高聚焦激光发射器（波长λ= 632.8 nm，后置高灵敏度光子计数器^[6]。

(3).驱动系统：精密伺服电机（转速分辨率Δω < 0.1 rpm）控制双盘同步旋转。  

(4).检验校准：高纯度光路校准标准参照件，与被检验光路工件放置于双盘之间激光必经之路。

(5).量子存储：真空管工件可以用来提高光速，提高光速测量精度，高折射率介质钻石工件用于大幅度降低光速，起到量子比特的缓存作用。

图1. 旋转双盘法测光速实验装置示意图  

图2. 旋转双盘法量子存储实验装置示意图  

 2.2.1设计拓展应用的设计

首先可以利用非线性光学效应原理：在强激光作用下，介质的折射率会随光强变化（如克尔效应），通过调控光强可动态改变光速^[5]。 应用与量子比特的光学同步开关、在光缓存等器件中用于控制光信号传输速度，达到量子多比特的同步，减少累积误差。

第二方面，还可以利用电磁诱导透明（EIT）原理：通过外加控制光场使原子系统对探测光透明，探测光在介质中的群速度可降至极低（甚至静止）。温度变化会改变材料的晶格振动（声子），影响光子散射概率。通过精密控制温度，从而改变光的群速度，以及光与原子的相互作用，用于量子存储与量子通信信号的调制解调。

第三方面，也可以利用光子晶体与超材料的特性，完成量子比特的存储。光子晶体是通过周期性结构调控光子能带，使光在禁带范围内无法传播，或在通带内以极低群速度传播。超材料是利用人工设计的亚波长结构（如负折射率材料），实现对光速的非常规调控。

最后，也可以基于温度与凝聚态物理的降速方法，在极低温原子气体（玻色 - 爱因斯坦凝聚态，BEC），在接近绝对零度的 BEC 中，原子运动几乎停止，光与原子的相互作用极强，可将光速降至米 / 秒级甚至更低，对于阿秒或者飞秒级别运行的量子比特，秒就是近乎“永久”的存在了。

如果担心机械转盘的稳定性与使用寿命等工程问题，可以考虑将两个静止不动的光电调制器替换两个圆盘，即利用超快光学开关（纳秒至皮秒级响应）代替周期出现的圆孔，形成虚拟转盘。

 2.2 测量原理  

当双盘静止时，两个孔因为相差0.01度角，不在一条直线上，通过第一个孔的光线会被第二个盘挡住，激光无法到达接收屏；当双盘转动时，后孔会渐近接近光路，接收屏上接收的能量会渐近增加，当转速提升至临界值ωc，光通过第一孔后，到达第二孔时，第二个孔刚好旋转0.01度角，到达光路，导致激光能从第二孔完全通过，接收屏上接到的能量达到峰值。如图3所示，此时满足：  

光速c=ds/dt          （1）

ds=10m                 （2）

dt = θ/ ωc             （3）  

θ= 0.01˚               （4）

c = 10mωc/0.01˚   （5）

 角速度ωc以角度/秒单位制计算。

图3接收屏能量变化示意图

 3. 误差分析与讨论  

3.1 主要误差来源  

(1).机械误差：轴系偏心（需控制在Δ x < 1μm）、盘面振动（振幅< 1μm）  

(2).光电误差：激光发散角（a< 10-5rad）、计数器响应时间（t< 1ns）  

(3).环境扰动：空气折射率波动（需真空环境< 10-3Pa）^[7]

(4).温度波动：小于0.05度

3.2 灵敏度验证  

当L=10m、θ=0.01˚，理论临界转速：  

ωc= c/360,000≈ 833.3rps (5× 104 rpm)

采用磁悬浮轴承与纳米激光打孔等超精密加工技术实现^[8]。

4. 理论意义与展望  

(1).基础物理检验：若实验测得c单程≠c回路，可能挑战相对论基础假设。  

(2).技术改进：采用碳纤维复合材料减重（密度在降低30%），飞秒激光计时系统可将时间分辨率提升至10-15s^[9]。  

(3).应用前景：深空导航中的时钟同步校准、引力波探测仪器的光路优化，集成芯片光路接着纯净度检验^[10]。  5. 结论  

本文设计的旋转双盘法为单程光速测量提供了理论可行的新方案。尽管需提高磁悬浮技术与超精密加工的工程极限，但其物理思想对完善测量学框架及检验基础物理假设具有重要意义，对目前集成芯片光路质量检验，以及量子比特的存储，量子通信的同步等卡脖子难题也有实用意义。  

参考文献  

[1] H. Fizeau, "Sur une expérience relative à la vitesse de la lumière," Comptes Rendus de l'Académie des Sciences, vol. 29, pp. 90–92, 1849.

[2] A. A. Michelson, "Measurement of the velocity of light between Mount Wilson and Mount San Antonio," Astrophys. J., vol. 65, pp. 1–13, 1927.

[3] A. Einstein, "Zur Elektrodynamik bewegter Körper," Ann. Phys., vol. 322, no. 10, pp. 891–921, 1905.

[4] W. J. Riley et al., "One-way speed of light measurement using fiber optic delay lines," Phys. Rev. Lett., vol. 114, no. 23, p. 230401, 2015.

[5] A. Sohail et al., “A rotational-cavity optomechanical system with two revolving cavity mirrors: Optical response and fast-slow light mechanism,” arXiv:2301.12345, Jan. 17, 2023.

[6] L. Zhang, "Collimation techniques for laser beam shaping," Opt. Express, vol. 28, no. 5, pp. 6789–6801, 2020.

[7] Y. Wang, "Vacuum chamber design for precision optical experiments," Rev. Sci. Instrum., vol. 90, no. 12, p. 123001, 2019.

[8] K. Tanaka, "Ultra-precision machining of magnetic bearings," Precis. Eng., vol. 68, pp. 45–53, 2021.

[9] S. Kim, "Femtosecond laser timing systems with 10⁻¹⁵ s resolution," Nat. Photon., vol. 16, no. 4, pp. 256–262, 2022.

[10] B. P. Abbott, "LIGO: The laser interferometer gravitational-wave observatory," Living Rev. Relativ., vol. 19, no. 1, pp. 1–24, 2016.

[11] S. Herrmann, A. Senger, K. Möhle, M. Nagel, E. V. Kovalchuk, and A. Peters, "Rotating optical cavity experiment testing Lorentz invariance at the 10−1710−17 level," Phys. Rev. D, vol. 80, no. 10, p. 105011, Nov. 2009, doi: 10.1103/PhysRevD.80.105011.