[论文解读] Optical Clocks at Sea

Jonathan Roslund, A. Cingöz+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2023

Advanced Frequency and Time StandardsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本论文首次在海上部署了全集成、可移动的分子碘光学钟，证明了在海军舰船上连续20天内实现亚纳秒级时间稳定性。35升的光学钟实现了类似氢原子钟的性能，每日时间误差小于300皮秒，可为移动导航和量子网络提供皮秒级同步。

ABSTRACT

Deployed optical clocks will improve positioning for navigational autonomy, provide remote time standards for geophysical monitoring and distributed coherent sensing, allow time synchronization of remote quantum networks, and provide operational redundancy for national time standards. While laboratory optical clocks now reach timing inaccuracies below 1E-18, transportable versions of these high-performing clocks have limited utility due to their size, environmental sensitivity, and cost. Here we report the development of optical clocks with the requisite combination of size, performance, and environmental insensitivity for operation on mobile platforms. The 35 L clock combines a molecular iodine spectrometer, fiber frequency comb, and control electronics. Three of these clocks operated continuously aboard a naval ship in the Pacific Ocean for 20 days while accruing timing errors below 300 ps per day. The clocks have comparable performance to active hydrogen masers in one-tenth the volume. Operating high-performance clocks at sea has been historically challenging and continues to be critical for navigation. This demonstration marks a significant technological advancement that heralds the arrival of future optical timekeeping networks.

研究动机与目标

• 开发适用于海军舰船等移动平台的紧凑、坚固的光学钟。
• 在体积仅为十分之一的情况下，实现与氢原子钟相当的时间稳定性。
• 在动态海上环境中实现长期稳定性与环境不敏感性。
• 为导航、大地测量监测和量子网络提供可现场部署的光学时间基准。
• 在真实海洋环境中与国家时间标准进行性能验证。

提出的方法

• 设计一款35升、3U机架安装的光学钟，采用分子碘蒸气腔作为频率参考。
• 集成光纤频率梳及波长为1064纳米和1550纳米的稳定激光器，实现光学频率合成。
• 实施定制控制系统与固件，实现实时稳定钟激光器至碘跃迁频率。
• 采用三脚架配置，将时钟性能与NIST氢原子钟（ST05）进行比较，并推导出各自的不稳定性。
• 监测微波与光拍频信号（10 MHz、100 MHz、1064 nm），用于交叉验证与相位噪声表征。
• 在海上试验期间实现自主运行，配备远程遥测，无需环境屏蔽。

实验结果

研究问题

• RQ1 可移动碘光学钟是否能在动态海上环境中维持亚纳秒级时间稳定性？
• RQ2 在真实条件下，这些时钟的短期不稳定性与最先进的氢原子钟相比如何？
• RQ3 在海上，温度波动、湿度变化及平台运动对时钟性能的退化程度如何？
• RQ4 时钟是否能在无外部同步的情况下，实现多日皮秒级保持性能？
• RQ5 系统级鲁棒性是否足以支持在移动平台上的长期自主运行？

主要发现

• 在海上连续20天运行期间，时钟每日时间误差小于300皮秒。
• 在NIST测量的PICKLES与EPIC时钟的短期不稳定性分别为5×10⁻¹⁴/√τ与6×10⁻¹⁴/√τ，优于ST05氢原子钟。
• 1 Hz偏移处的相位噪声为-124 dBc/Hz（10 MHz）与-105 dBc/Hz（100 MHz），白相位噪声底限为-170 dBc/Hz。
• PICKLES与EPIC之间的光拍频信号在1 Hz偏移处的相位噪声为23 dBc/Hz，其系数符合ℒ(𝑓) = ½ ∑ 10ᵇⁿ·𝑓ⁿ的形式。
• 尽管经历数摄氏度的温度波动与磁场变化，时钟仍保持<10⁻¹⁴的频率不稳定性达数日之久。
• VIPER（性能较低的变体）仍优于海上常规使用的时钟，验证了碘基设计的鲁棒性。