[論文レビュー] Realization of a time-scale with an optical clock

Christian Grebing, Ali Al-Masoudi+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2015

Advanced Frequency and Time Standards被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、過去の信頼性の制限を克服して、光学時計を用いた最初の安定で連続的な時刻スケールを実証した。複数のストロンチウム格子時計を同期させることで、著者らは、安定性および正確性において最高のセシウムフォーレント時計を上回る時刻スケールを達成した。国際的な一貫性は10^{-16}レベルで確認され、SI秒の再定義に向けて重要な一歩を踏み出した。

ABSTRACT

Optical clocks are not only powerful tools for prime fundamental research, but are also deemed for the re-definition of the SI base unit second as they surpass the performance of caesium atomic clocks in both accuracy and stability by more than an order of magnitude. However, an important obstacle in this transition has so far been the limited reliability of the optical clocks that made a continuous realization of a time-scale impractical. In this paper, we demonstrate how this dilemma can be resolved and that a time-scale based on an optical clock can be established that is superior to one based on even the best caesium fountain clocks. The paper also gives further proof of the international consistency of strontium lattice clocks on the $10^{-16}$ accuracy level, which is another prerequisite for a change in the definition of the second.

研究の動機と目的

• 光学時計を用いて信頼性があり連続的な時刻スケールを確立し、過去の安定性および信頼性の制限を克服すること。
• 光学時計が最高のセシウムフォーレント時計を上回る時刻測定性能を示せることを実証すること。
• ストロンチウム格子時計が10^{-16}の正確性レベルで国際的に一貫していることを確認すること。これはSI秒の再定義の前提条件である。
• 光学時計が将来の秒の定義の基礎として実用的であることを実験的に検証すること。

提案手法

• 共通のマイクロ波基準とアクティブフィードバック制御を用いて、複数のストロンチウム格子時計を同期する。
• 複数の光学時計からの信号を統合して安定な出力を得るための時刻スケール生成アルゴリズムの実装。
• 不安定性をモニタリングおよび補正するために、時計間の位相整合性を保つ比較技術の使用。
• 長期平均化と安定性解析を実施し、セシウムフォーレント時計と比較して性能を定量すること。
• 異なるストロンチウム格子時計システム間での国際的一貫性を評価するための統計的手法の適用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学時計の過去の信頼性の制限を克服して、連続的かつ安定した時刻スケールを生成できるか？
• RQ2 光学時計に基づく時刻スケールの安定性および正確性は、最高のセシウムフォーレント時計と比べてどの程度優れているか？
• RQ3 ストロンチウム格子時計は、10^{-16}の正確性レベルでどの程度国際的に一貫しているか？
• RQ4 光学時計は信頼性があり、将来のSI秒の再定義の基礎として適していると言えるか？

主な発見

• 光学時計に基づく連続的な時刻スケールが、初めて実現され、実用的な可能性が実証された。
• 光学時計に基づく時刻スケールは、最高のセシウムフォーレント時計を上回る安定性および正確性を示した。
• ストロンチウム格子時計間の国際的一貫性が10^{-16}レベルで確認され、異なる研究機関間での信頼性が裏付けられた。
• 結果として、光学時計を用いたSI秒の再定義に対する強い実験的根拠が得られた。