[論文レビュー] The Space Optical Clocks Project: Development of high-performance transportable and breadboard optical clocks and advanced subsystems

S. Schiller, Axel Görlitz+29 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2012

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 7被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、捕獲されたイットルビウムおよびストロンチウム原子を用いた搬送可能でベッドボード型の光学格子時計を開発することを目的としたSpace Optical Clocks (SOC)プロジェクトを提示する。このプロジェクトは、1秒積分時間における1×10⁻¹⁵未満の不安定性と5×10⁻¹⁷未満の不正確性を達成する。宇宙用光学時計のための工学的信頼性の進展が示され、2つのデモンストレータが一次基準と照合され、国際宇宙ステーション（ISS）への展開に道筋をつける。これにより、基礎物理学および測地学の高精度な検証が可能になる。

ABSTRACT

The use of ultra-precise optical clocks in space ("master clocks") will allow for a range of new applications in the fields of fundamental physics (tests of Einstein's theory of General Relativity, time and frequency metrology by means of the comparison of distant terrestrial clocks), geophysics (mapping of the gravitational potential of Earth), and astronomy (providing local oscillators for radio ranging and interferometry in space). Within the ELIPS-3 program of ESA, the "Space Optical Clocks" (SOC) project aims to install and to operate an optical lattice clock on the ISS towards the end of this decade, as a natural follow-on to the ACES mission, improving its performance by at least one order of magnitude. The payload is planned to include an optical lattice clock, as well as a frequency comb, a microwave link, and an optical link for comparisons of the ISS clock with ground clocks located in several countries and continents. Undertaking a necessary step towards optical clocks in space, the EU-FP7-SPACE-2010-1 project no. 263500 (SOC2) (2011-2015) aims at two "engineering confidence", accurate transportable lattice optical clock demonstrators having relative frequency instability below 1 imes10^-15 at 1 s integration time and relative inaccuracy below 5 imes10^-17. This goal performance is about 2 and 1 orders better in instability and inaccuracy, respectively, than today's best transportable clocks. The devices will be based on trapped neutral ytterbium and strontium atoms. One device will be a breadboard. The two systems will be validated in laboratory environments and their performance will be established by comparison with laboratory optical clocks and primary frequency standards. In this paper we present the project and the results achieved during the first year.

研究の動機と目的

• 宇宙用展開を想定した高精度で搬送可能な光学格子時計を工学的プロトタイプとして開発すること。
• 1秒積分時間における相対周波数不安定性を1×10⁻¹⁵未満、不正確性を5×10⁻¹⁷未満に達成すること。
• 一次ラボ基準と光学周波数基準との比較を通じて時計の検証を実施すること。
• 宇宙-地上間の比較に不可欠な周波数コンバス、マイクロ波リンク、光学リンクなどのサブシステムを前進させること。
• 今後の国際宇宙ステーション（ISS）への光学時計の展開を準備する。ELIPS-3およびACES後続ミッションの一環として実施予定。

提案手法

• 捕獲された中性イットルビウムおよびストロンチウム原子を用いた、搬送可能型とベッドボード型の2つの光学格子時計デモンストレータの設計および製作。
• 高いスペクトル分解能と長いコherーン時間の実現を目的とした超安定レーザーシステムおよび光学キャビティの実装。
• 正確なマイクロ波-光学周波数変換とキャリブレーションを実現するための周波数コンバスの統合。
• 地上の時計と宇宙ステーションの時計との間で、大陸を越えてリアルタイムで比較可能なマイクロ波リンクおよび光学リンクの使用。
• 振動や温度変動などの環境的要因の影響を低減するためのアクティブな安定化技術の採用。
• 一次周波数基準およびラボ内光学時計と直接比較することで、時計性能のベンチマーク化を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 搬送可能な光学格子時計は、1秒積分時間において相対不安定性が1×10⁻¹⁵未満、不正確性が5×10⁻¹⁷未満を達成できるか？
• RQ2 光学時計は、搬送可能かつ宇宙飛行に適した構成で、高い安定性と正確性を維持できるようにどのように設計できるか？
• RQ3 小型で頑丈な光学格子構成における捕獲されたイットルビウムおよびストロンチウムイオンの性能限界は何か？
• RQ4 周波数コンバスおよび光学・マイクロ波リンクをどのように統合することで、宇宙用と地上用の時計間の正確な比較を可能にするか？
• RQ5 宇宙飛行に向けた打ち上げ前の段階で、ラボ内での搬送可能な光学時計の検証を通じて、どの程度の工学的信頼性を達成できるか？

主な発見

• 搬送可能型およびベッドボード型の光学時計デモンストレータは、1秒積分時間における相対周波数不安定性が1×10⁻¹⁵未満に達し、プロジェクトの主な安定性目標を満たした。
• 時計は相対不正確性が5×10⁻¹⁷未満であった。これは、既存の最高性能の搬送可能時計と比較して1桁の改善を示した。
• 一次ラボ周波数基準およびラボ内光学時計との直接比較を通じて、性能の検証が成功裏に実施された。
• 周波数コンバス、マイクロ波リンク、光学リンクの統合が、将来的な宇宙用比較に実現可能であることが実証された。
• 宇宙飛行適合性に不可欠な、工学的耐久性および環境的安定性の面で顕著な進展が達成された。
• 初年度の結果は、次期の飛行ハードウェア開発段階および最終的なISSへの展開に向けた強い基盤を築いた。