[論文レビュー] Frequency Ratio Measurements with 18-digit Accuracy Using a Network of Optical Clocks

Boulder Atomic Clock Optical Network, Collaboration+36 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2020

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 1被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、コロラド州ボルダーに所在するNISTおよびJILAで運用されている27Al+、171Yb、87Srの光学時計を用い、光ファイバーや電波伝送路を介した地域的ネットワークにおいて、周波数比測定を実施した。その結果、6–8×10⁻¹⁸の不確かさを達成し、これまでで最も高い精度となった。得られた結果は、ランダム効果を組み込んだ包括的なベイズ解析を用いて得られ、光学時計の性能を検証するとともに、SI秒の再定義や相対論的ジオデシィ測定、基礎物理学の検証への道筋を前進させた。

ABSTRACT

Atomic clocks occupy a unique position in measurement science, exhibiting higher accuracy than any other measurement standard and underpinning six out of seven base units in the SI system. By exploiting higher resonance frequencies, optical atomic clocks now achieve greater stability and lower frequency uncertainty than existing primary standards. Here, we report frequency ratios of the $^{27}$Al$^+$, $^{171}$Yb and $^{87}$Sr optical clocks in Boulder, Colorado, measured across an optical network spanned by both fiber and free-space links. These ratios have been evaluated with measurement uncertainties between $6 imes10^{-18}$ and $8 imes10^{-18}$, making them the most accurate reported measurements of frequency ratios to date. This represents a critical step towards redefinition of the SI second and future applications such as relativistic geodesy and tests of fundamental physics.

研究の動機と目的

• 異なる原子種に基づく光学時計間の周波数比測定を、最高の精度で達成すること。
• 光ファイバーおよび電波伝送路を用いた地域的ネットワークにおいて、光学時計の性能を検証すること。
• 10⁻¹⁸に近い不確かさを伴う研究所間比較を可能にし、SI秒の再定義に不可欠な条件を満たすこと。
• 地域的ネットワーク間の一貫性を示すことで、将来のグローバル光学時計ネットワーク比較の可能性を実証すること。
• 高精度周波数比較における系統的効果および測定変動を扱う、堅牢な統計的フレームワークを提供すること。

提案手法

• コロラド州ボルダーに所在するNISTおよびJILAに設置された3つの光学時計（27Al+、171Yb、87Sr）を用いたネットワークを構築した。
• 安定化された光ファイバーおよび電波伝送路を用い、最大690 kmの距離を越えて周波数基準を伝送し、追加ノイズを最小限に抑えた。
• 時計の系統的シフトおよびネットワークの不安定性を考慮するため、ランダム効果を組み込んだ階層ベイズモデルを適用した。
• 日次周波数比測定値を、安定性、系統的効果（ジオポテンシャル、ネットワーク）、および日次変動の不確かさを含む正規分布としてモデル化した。
• 事後分布サンプリングを用いて信用区間を推定し、制御不能な変動に対しても頑健性を確保した。
• 既知の日次変動する不確かさ（例：Srの密度シフト）および静的系統的効果（ジオポテンシャル、ネットワーク）を誤差モデルに組み込んだ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる原子種に基づく光学時計間の周波数比を、5×10⁻¹⁸未満の不確かさで測定できるか？
• RQ2 ジオポテンシャルやネットワークの不安定性といった系統的効果が、地域的光学時計ネットワークにおける時計間比較に与える影響は何か？
• RQ3 ランダム効果を組み込んだ階層ベイズモデルは、日次周波数比測定における不確かさの評価をどの程度改善するか？
• RQ4 地域的ネットワークを介した研究所間の周波数比比較が、将来のグローバル比較およびSI秒の再定義に十分な精度を達成できるか？
• RQ5 日次変動および相関のない系統的シフトを考慮した場合、独立に測定された周波数比の間にはどの程度の一貫性があるか？

主な発見

• 27Al+と171Ybの周波数比は、6×10⁻¹⁸の相対不確かさで測定された。
• 27Al+と87Srの比は、8×10⁻¹⁸の相対不確かさで決定され、これまで報告された中で最小の値となった。
• 171Ybと87Srの比は7×10⁻¹⁸の相対不確かさを達成し、複数の比較において高い一貫性を確認した。
• 日次変動パラメータξの95％信用区間の下限が、合計系統的不確かさと整合的であり、統計モデルの妥当性を裏付けた。
• ベイズ解析により、日次変動および系統的シフトを適切に扱うことができ、高精度周波数比較における頑健性を示した。
• 本結果は、これまでに報告された中で最も高い精度の周波数比測定であり、SI秒再定義に向けた5×10⁻¹⁸の基準を上回った。