[논문 리뷰] Frequency comparison of ${}^{171}$Yb${}^+$ ion optical clocks at PTB and NPL via GPS PPP

J. Leute, Nils Huntemann외 12명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 15.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 GPS 정밀점위치측정(GPS PPP)를 이용해 독일의 PTB와 영국의 NPL에 위치한 두 개의 171Yb+ 이온 광학시계 간에 직접적인 원격 비교를 처음으로 수행한다. 수소 마스터를 비행기 운용 오실레이터로 사용하고 데이터 갭을 보완하기 위해 수치적 외삽 기법을 적용함으로써, 67시간 동안의 측정에서 분수 주파수 차이를 −1.3(1.2)×10⁻¹⁵로 도출하였으며, 이는 광학시계 데이터의 끊어진 특성에도 불구하고 10⁻¹⁵ 이하의 불확도를 달성한 것으로, 높은 정밀도를 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 서로 다른 대륙에 위치한 최신 171Yb+ 이온 광학시계 간에 직접적인 원격 비교를 가능하게 하기 위해.
• 광학시계 측정에서 간헐적인 데이터 가용성 문제를 GPS PPP 주파수 전송을 통해 극복하기 위해.
• 장기간의 일관된 GPS 연결을 활용하면서 데이터 갭으로 인한 불확도를 최소화하는 수치적 외삽 기법을 개발하고 적용하기 위해.
• 주파수 비교의 통계적 불확도를 1.2×10⁻¹⁵ 이하로 낮추어 두 시계 간의 일관성을 검증하기 위해.

제안 방법

• GPS 정밀점위치측정(GPS PPP)을 사용하여 캐리어 위상 측정을 통해 PTB와 NPL 간 시간 및 주파수를 전송한다.
• 광학시계 측정 간 주파수 기준을 안정화하기 위해 활성 수소 마스터를 비행기 운용 오실레이터로 활용한다.
• 양측의 마스터와 GPS 수신기를 주파수 커브에 연결하여 마스터 주파수를 171Yb+ E2 전이 주파수와 비교한다.
• 누락된 광학시계 데이터 포인트를 추정하기 위해 수치적 외삽 기법을 적용하여 데이터 갭으로 인한 불확도를 감소시킨다.
• 여러 가지 방법을 사용하여 GPS PPP 불확도와 외삽 불확도를 조합하여 최적의 조합을 식별한다.
• 두 실험실 간 고도 차이 66.7(4) m를 고려하여 중력파장이른 효과를 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GPS PPP를 사용하여 데이터 갭이 최소한인 상태에서 두 171Yb+ 이온 광학시계 간에 안정적이고 정확한 원격 비교가 가능한가?
• RQ2 간헐적인 광학시계 데이터를 처리하면서 총 불확도를 최소화하는 최적의 외삽 전략은 무엇인가?
• RQ3 비행기 운용 오실레이터(수소 마스터)를 사용할 경우, 데이터 갭이 존재하는 장기간 주기 동안 주파수 비교의 안정성과 불확도에는 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 장기간의 일관된 GPS 연결은 광학시계 시스템에서 짧은 데이터 수집 간격을 얼마나 잘 보완할 수 있는가?
• RQ5 GPS PPP와 데이터 외삽의 조합된 불확도는 세슘 분수 시계에 대한 절대 주파수 측정과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?

주요 결과

• 67시간 동안의 측정 기간 동안 PTB와 NPL의 171Yb+ 시계 간 분수 주파수 차이는 −1.3(1.2)×10⁻¹⁵로 측정되었으며, 이 불확도는 주로 통계적 기여로 인한 것이다.
• 모든 데이터 가용 기간(포함해 데이터가 수집되지 않은 갭 기간까지)을 커버하는 외삽 전략을 사용함으로써 최소의 조합 불확도 1.2×10⁻¹⁵를 달성하였다.
• 최적의 경우 GPS PPP 링크 자체는 통계적 불확도 2×10⁻¹⁵ 기여하였지만, 외삽 기법을 적용함으로써 장기간의 일관된 평균화를 가능하게 하여 총 불확도를 크게 감소시켰다.
• 최근 세슘 분수 시계에 대한 절대 주파수 측정 결과(−0.87(75)×10⁻¹⁵)와 매우 우호적인 일치를 보였다.
• GPS PPP 링크로 인한 체계적 불확도는 무시할 만할 정도로 작아, 이 기술이 광학시계 비교에 있어 신뢰할 수 있음을 확인하였다.
• 본 연구는 적절한 외삽 기법과 안정적인 비행기 운용 오실레이터를 사용할 경우, 매우 끊어진 데이터 상태에서도 고정밀 원격 광학시계 비교가 가능하다는 것을 입증하였다.