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

J. Leute, Nils Huntemann+12 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2015

Advanced Frequency and Time Standards被引用 4

一句话总结

本研究首次利用GPS精密单点定位（PPP）技术，对位于德国PTB和英国NPL的两台¹⁷¹Yb⁺离子光学钟进行了直接远程比对。通过采用氢原子钟作为保持振荡器，并应用数值外推法处理数据间隙，作者在67小时内实现了−1.3(1.2)×10⁻¹⁵的相对频率差异，尽管光学钟数据存在碎片化，仍实现了低于10⁻¹⁵量级的不确定度。

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.

研究动机与目标

• 实现位于不同大洲的两台先进¹⁷¹Yb⁺离子光学钟的直接远程比对。
• 克服光学钟测量中数据间歇性带来的挑战，利用GPS PPP进行频率传输。
• 开发并应用一种数值外推方法，最大限度降低数据间隙带来的不确定度，同时利用长相干GPS链路。
• 在频率比对中实现低于1.2×10⁻¹⁵的统计不确定度，验证两台钟的一致性。

提出的方法

• 利用GPS精密单点定位（PPP）通过载波相位测量在PTB与NPL之间传输时间与频率。
• 采用主动氢原子钟作为保持振荡器，稳定光学钟测量之间的频率参考。
• 将两台氢原子钟和GPS接收器均连接至频率梳，以比较氢原子钟频率与¹⁷¹Yb⁺ E2跃迁频率。
• 应用数值外推技术估算缺失的光学钟数据点，降低数据间隙带来的不确定度。
• 采用多种方案组合GPS PPP不确定度与外推不确定度，以确定最优组合。
• 根据两座实验室之间66.7(4) m的高度差，对引力红移进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用GPS PPP实现两台¹⁷¹Yb⁺离子光学钟的稳定且精确的远程比对，且数据间隙最小？
• RQ2 在保持频率比对总不确定度最小时，处理间歇性光学钟数据的最优外推策略是什么？
• RQ3 使用保持振荡器（氢原子钟）在长时间存在数据间隙的情况下，如何影响频率比对的稳定性和不确定度？
• RQ4 长相干GPS链路在多大程度上可补偿光学钟系统中短时间数据采集间隔的影响？
• RQ5 GPS PPP与数据外推的联合不确定度与对铯喷泉钟的绝对频率测量相比如何？

主要发现

• 在67小时的测量周期内，PTB与NPL的¹⁷¹Yb⁺钟之间的相对频率差异为−1.3(1.2)×10⁻¹⁵，不确定度主要由统计贡献主导。
• 通过采用覆盖整个数据可用周期（包括无光学钟数据的间隙）的外推方案，实现了最小的联合不确定度1.2×10⁻¹⁵。
• 在最优情况下，GPS PPP链路本身贡献的统计不确定度为2×10⁻¹⁵，但通过外推显著降低了整体不确定度，实现了更长的相干平均。
• 该结果与近期对铯喷泉钟的绝对频率测量结果高度一致，后者测得的差异为−0.87(75)×10⁻¹⁵。
• GPS PPP链路的系统不确定度可忽略不计，证实其在光学钟比对中的可靠性。
• 本研究证明，即使数据高度碎片化，只要采用适当的外推方法和稳定的保持振荡器，高精度远程光学钟比对仍具可行性。