[論文レビュー] Frequency comparison of ${}^{171}$Yb${}^+$ ion optical clocks at PTB and NPL via GPS PPP

J. Leute, Nils Huntemann+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2015

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、GPS精密ポイント位置決め（PPP）を用いた周波数伝送により、ドイツのPTBと英国のNPLに所在する2つの171Yb+イオン光学時計の、直接的な遠隔比較を初めて実施した。水素メーザーをフライホイール発振器として用い、データギャップを補完するための数値補外法を適用することで、67時間の間に1.2×10⁻¹⁵の統計的不確かさを達成した。これは、光学時計のデータが断続的であっても、10⁻¹⁵未満の不確かさで周波数比較が可能であることを示している。

ABSTRACT

We used Precise Point Positioning, a well-established GPS carrier-phase frequency transfer method to perform a direct remote comparison of two optical frequency standards based on single laser-cooled $^{171}$Yb$^+$ ions operated at NPL, UK and PTB, Germany. At both institutes an active hydrogen maser serves as a flywheel oscillator; it is connected to a GPS receiver as an external frequency reference and compared simultaneously to a realization of the unperturbed frequency of the ${{}^2S_{1/2}(F=0)-{}^2D_{3/2}(F=2)}$ electric quadrupole transition in ${}^{171}$Yb${}^+$ via an optical femtosecond frequency comb. To profit from long coherent GPS link measurements we extrapolate over the various data gaps in the optical clock to maser comparisons which introduces maser noise to the frequency comparison but improves the uncertainty from the GPS link. We determined the total statistical uncertainty consisting of the GPS link uncertainty and the extrapolation uncertainties for several extrapolation schemes. Using the extrapolation scheme with the smallest combined uncertainty, we find a fractional frequency difference $y(\mathrm{PTB})-y(\mathrm{NPL})$ of $-1.3(1.2) imes 10^{-15}$ for a total measurement time of 67 h. This result is consistent with an agreement of both optical clocks and with recent absolute frequency measurements against caesium fountain clocks.

研究の動機と目的

• 異なる大陸に位置する2つの最先端の171Yb+イオン光学時計の直接的な遠隔比較を可能にする。
• 光学時計測定における断続的なデータの欠落という課題を、GPS PPP周波数伝送を用いて克服する。
• 長時間の整合性のあるGPSリンクを活用しながら、データギャップに起因する不確かさを最小限に抑える数値補外法の開発および適用を行う。
• 周波数比較の統計的不確かさを1.2×10⁻¹⁵未満に抑えることを目的とし、2つの時計の整合性を検証する。

提案手法

• GPS精密ポイント位置決め（PPP）を用い、位相測定に基づいてPTBとNPL間で時刻および周波数を伝送した。
• 光学時計測定の間の周波数基準を安定化するために、アクティブな水素メーザーをフライホイール発振器として使用した。
• 両方のメーザーおよびGPS受信機を周波数コンブに接続し、メーザー周波数と171Yb+のE2遷移周波数を比較した。
• 欠落した光学時計データポイントを推定するために、数値補外技術を適用し、データギャップに起因する不確かさを低減した。
• GPS PPPの不確かさと補外の不確かさを複数の手法で組み合わせ、最適な組み合わせを特定した。
• 2つの研究室間の高さ差66.7(4) mを用いて、重力赤方偏移を補正した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GPS PPPを用いることで、最小限のデータギャップで、2つの171Yb+イオン光学時計の安定的かつ正確な遠隔比較が可能か？
• RQ2 断続的な光学時計データを処理するにあたり、合計不確かさを最小限に抑える最適な補外戦略は何か？
• RQ3 フライホイール発振器（水素メーザー）を用いることで、データギャップがある長期にわたり、周波数比較の安定性と不確かさにどのような影響を与えるか？
• RQ4 長時間の整合性のあるGPSリンクは、光学時計システムにおける短いデータ収集期間をどの程度補完できるか？
• RQ5 GPS PPPの不確かさとデータ補外の不確かさの合計は、セシウムフォーレントクロックに対する絶対周波数測定と比較してどの程度か？

主な発見

• 67時間の測定期間中に、PTBとNPLの171Yb+時計間の相対周波数差は−1.3(1.2)×10⁻¹⁵であった。不確かさは主に統計的要因に起因した。
• データの可用期間全体（光学時計データが収集されなかったギャップを含む）をカバーする補外手法を用いることで、最小の合成不確かさ1.2×10⁻¹⁵を達成した。
• 最適なケースにおいて、GPS PPPリンクそのものの統計的不確かさは2×10⁻¹⁵であったが、補外法の適用により、より長い整合性のある平均化が可能となり、全体の不確かさが顕著に低減された。
• 最近のセシウムフォーレントクロックに対する絶対周波数測定結果（差：−0.87(75)×10⁻¹⁵）と良好に一致しており、両者の整合性が裏付けられた。
• GPS PPPリンクに起因する系統的不確かさは無視できるほど小さく、光学時計比較に於いてその信頼性が確認された。
• 本研究では、適切な補外法と安定なフライホイール発振器を用いることで、極めて断続的なデータであっても高精度な遠隔光学時計比較が可能であることを示した。