[论文解读] Frequency Ratio Measurements with 18-digit Accuracy Using a Network of Optical Clocks

Boulder Atomic Clock Optical Network, Collaboration+36 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2020

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 1被引用 14

一句话总结

该论文通过光纤和自由空间链路，在区域性网络中实现了 27Al⁺、171Yb 和 87Sr 光学钟之间的频率比测量，达到 6–8×10⁻¹⁸ 的不确定度——迄今最高的精度。结果基于包含随机效应建模的全面贝叶斯分析得出，验证了光学钟的性能，并推动了重新定义国际单位制秒以及实现相对论大地测量和基础物理检验的进程。

ABSTRACT

Atomic clocks occupy a unique position in measurement science, exhibiting higher accuracy than any other measurement standard and underpinning six out of seven base units in the SI system. By exploiting higher resonance frequencies, optical atomic clocks now achieve greater stability and lower frequency uncertainty than existing primary standards. Here, we report frequency ratios of the $^{27}$Al$^+$, $^{171}$Yb and $^{87}$Sr optical clocks in Boulder, Colorado, measured across an optical network spanned by both fiber and free-space links. These ratios have been evaluated with measurement uncertainties between $6 imes10^{-18}$ and $8 imes10^{-18}$, making them the most accurate reported measurements of frequency ratios to date. This represents a critical step towards redefinition of the SI second and future applications such as relativistic geodesy and tests of fundamental physics.

研究动机与目标

• 实现基于不同原子种类的光学钟之间最高精度的频率比测量。
• 通过光纤和自由空间链路，在区域性网络中验证光学钟的性能。
• 实现实验室间频率比比较的不确定度接近 10⁻¹⁸，这对重新定义国际单位制秒至关重要。
• 通过区域网络间的一致性，证明全球光学钟网络比较的可行性。
• 提供一种稳健的统计框架，以处理高精度频率比较中的系统效应和测量变异性。

提出的方法

• 利用位于科罗拉多州博尔德市的 NIST 和 JILA 的三台光学钟（27Al⁺、171Yb 和 87Sr）组成的网络。
• 采用稳定的光纤和自由空间链路，将频率参考信号传输至最长 690 km 的距离，引入的噪声可忽略不计。
• 应用具有随机效应的分层贝叶斯模型，以考虑时钟的系统性偏移和网络不稳定性。
• 将每日的频率比测量建模为正态分布，其不确定性来源于稳定性、系统效应（重力位、网络）以及日间变异性。
• 使用后验抽样估计可信区间并量化不确定性，确保对未受控变化的鲁棒性。
• 将已知的每日变化不确定性（如稳定性、锶的密度位移）和静态系统效应（重力位、网络）纳入误差模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于不同原子种类的光学钟之间的频率比能否以低于 5×10⁻¹⁸ 的不确定度进行测量？
• RQ2 重力位和网络不稳定性等系统效应在区域性光学钟网络中对钟间比较有何影响？
• RQ3 具有随机效应的贝叶斯分层模型在多日频率比测量中，能在多大程度上改善不确定度的量化？
• RQ4 在区域性网络中，实验室间的频率比比较能否达到足够高的精度，以支持未来的全球比较和国际单位制秒的重新定义？
• RQ5 在考虑每日变化和不相关的系统性偏移后，独立测量的频率比之间的一致性水平如何？

主要发现

• 27Al⁺ 与 171Yb 之间的频率比测量得到的相对不确定度为 6×10⁻¹⁸。
• 27Al⁺ 与 87Sr 之间的频率比确定为 8×10⁻¹⁸ 的相对不确定度，为迄今报道的最低值。
• 171Yb 与 87Sr 之间的频率比达到 7×10⁻¹⁸ 的相对不确定度，证实了多次比较间的一致性。
• 对日间变异性参数 ξ 的 95% 可信区间下限与总系统不确定度一致，验证了统计模型的合理性。
• 贝叶斯分析成功考虑了每日变化和系统性偏移，展示了在高精度频率比较中的鲁棒性。
• 该结果代表了迄今报道的最精确的频率比测量，超过为重新定义国际单位制秒所建议的 5×10⁻¹⁸ 阈值。