时间(频率)是基本物理量之一,许多物理量与它相关。随着技术发展,实验室中光钟稳定度已能达到10-18量级,并朝着10-19量级迈进;在空间中也已经成功测试了稳定度达到7.2 × 10-16的冷原子钟。超高精度的时钟信号通过自由空间链路进行远距离传输在精密测量、基础物理、深空探测、地球物理、卫星导航等诸多领域具有非常重要的应用。而目前基于微波技术的时频传递的日稳定度在10-15量级,因此未来需要更高精度的时频传递方式。另一方面,时间同步也是军事、工业、通信以及金融网络等涉及国防安全以及社会民生等诸多领域的基石,如果遭受恶意攻击将会带来巨大损失,但目前应用的时间同步方案还存在许多安全性问题亟待解决,而量子信息技术为解决这些问题提供了新的视角。墨子号科学实验卫星在空间尺度的量子物理基础实验方面已经取得了一系列进展,其具有丰富的光学资源也为空间时频传递实验提供了一个很好的平台。本论文基于墨子号开展了激光时间传递的实验研究,在为实现更高精度和更安全的时间传递方面做了探索。在高精度方面,我们对异步双向激光时频传递方案进行了系统性分析和相关测试,论证该方案能够实现日稳定度10-17量级的时频传递,并基于墨子号卫星进行了一系列的验证性实验。我们利用墨子号卫星现有资源,分别建立了星地之间稳定的异步双向光学链路以及卫星共视链路。在星地异步双向光学链路中,我们实现了高采样频率的时间比对,通过多点平均处理获得30ps的时间比对精度和1cm的测距精度,达到了目前星地激光时间传递精度的最好水平,验证了异步双向激光时频传递在空间中应用的可行性。同时我们也提出了基于卫星共视的激光时频传递方案,该方案有单向链路以及双向链路两种实现方式。基于墨子号卫星我们进行了零基线共视时间比对实验,实现了 25ps的时间比对精度,以及5ps@12.6s的比对稳定度,该实验显示了共视时间比对具备良好的系统性能。另外我们还在德令哈与丽江之间进行了千公里基线的时间比对演示实验,为未来中高轨卫星激光共视时间传递奠定基础。在安全性方面,我们对时频传递的安全性以及实现安全时频传递的必备条件进行了分析和讨论,并根据目前的量子信息技术,提出了基于双向量子密钥分发的安全时频传递方案,同时在墨子号与地面之间进行了星地安全时频传递的关键技术验证实验。我们利用墨子号的下行量子密钥分发链路和地面上行的脉冲激光链路构成双向时频传递,并利用量子密钥分发生产的密钥对时间数据进行加密,实现安全的数据传输。在该实验中,我们验证了采用安全的信号进行时频传递,并进行安全的数据传输等关键技术,该结果表明,未来能够基于该方案实现纳秒级别的安全时频传递。本文的研究工作推进了高精度激光时频传递在空间中的应用,并为安全时频传递提供一个新的解决方案,未来可以构建更高精度,更安全的空间时频网络。本论文的主要创新之处在于:1.在星地之间基于异步双向激光链路实现了精度约30ps的时间比对,达到了目前星地激光时间传递精度的最好水平。该方案具有较小的链路衰减,适合于远距离的自由空间高精度时间传递。2.提出卫星激光共视的时间比对方案,并基于墨子号进行了零基线验证实验,实现25ps的时间比对精度以及5ps@12.6s的比对稳定度,为未来基于中高轨卫星激光共视实现两地的时间比对打下基础。3.提出基于双向量子密钥分发的安全时频传递方案,并基于墨子号进行了关键技术验证实验,基于该方案能够实现纳秒级别的安全时频传递,未来可以结合量子通信网络构建更安全的时频网络。