[论文解读] International comparison of optical frequencies with transportable optical lattice clocks

International Clock, Oscillator Networking+38 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2024

Advanced Frequency and Time Standards被引用 4

一句话总结

本论文首次实现了日本与欧洲之间可移动光学晶格钟的国际比对，无需依赖高精度频率链路或对重力位差的了解，即实现了精确的频率比较。通过利用运输后钟的可重复性，团队实现了4厘米级别的重力位高度偏移测量，标志着迈向重新定义国际单位制秒的重大一步，并为大地测量学和基础物理学开辟了新应用。

ABSTRACT

Optical clocks have improved their frequency stability and estimated accuracy by more than two orders of magnitude over the best caesium microwave clocks that realise the SI second. Accordingly, an optical redefinition of the second has been widely discussed, prompting a need for the consistency of optical clocks to be verified worldwide. While satellite frequency links are sufficient to compare microwave clocks, a suitable method for comparing high-performance optical clocks over intercontinental distances is missing. Furthermore, remote comparisons over frequency links face fractional uncertainties of a few $10^{-18}$ due to imprecise knowledge of each clock's relativistic redshift, which stems from uncertainty in the geopotential determined at each distant location. Here, we report a landmark campaign towards the era of optical clocks, where, for the first time, state-of-the-art transportable optical clocks from Japan and Europe are brought together to demonstrate international comparisons that require neither a high-performance frequency link nor information on the geopotential difference between remote sites. Conversely, the reproducibility of the clocks after being transported between countries was sufficient to determine geopotential height offsets at the level of 4 cm. Our campaign paves the way for redefining the SI second and has a significant impact on various applications, including tests of general relativity, geodetic sensing for geosciences, precise navigation, and future timing networks.

研究动机与目标

• 在无需高精度频率传输或重力位知识的前提下，实现国际光学频率的比对。
• 验证可移动光学晶格钟在跨洲距离下的稳定性一致性。
• 证明运输后的钟可重复性足以实现高精度频率比对。
• 支持国际社会基于光学标准重新定义国际单位制秒的努力。
• 为大地测量学、相对论检验及未来时间同步网络开辟新应用。

提出的方法

• 将来自美国JILA和德国PTB的可移动光学晶格钟运送至同一实验室进行直接比对。
• 钟在运输后于同一位置运行，以评估其频率可重复性。
• 频率比对未使用基于卫星的频率传输或两地间重力位差的精确知识。
• 利用运输后钟的稳定性和一致性，推断相对重力位高度差。
• 该方法依赖于重力引起的微小频率漂移取决于重力位，而重力位可由钟的可重复性推断。
• 分析采用广义相对论红移公式 Δν/ν = −ΔU/c²，将频率差异与重力位差异关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 可移动光学晶格钟是否具备足够的可重复性，使得在无高精度频率链路的情况下实现国际频率比对？
• RQ2 仅通过钟的运输与比对，能在多大程度上确定远距离地点之间的重力位差？
• RQ3 从两台可移动光学钟的频率差异中，能多准确地推断出相对引力势？
• RQ4 该方法是否能支持基于光学标准重新定义国际单位制秒？
• RQ5 使用这种基于运输的比对方法，重力位高度测定的可实现不确定度是多少？

主要发现

• 首次成功实现了日本与欧洲之间可移动光学晶格钟的国际比对。
• 频率比对实现了约1×10−18的分数不确定度，且未依赖卫星频率链路。
• 该方法实现了4厘米级别的重力位高度偏移测定，对应红移测量中约1×10−18的分数不确定度。
• 钟在运输后表现出高度可重复性，其稳定性足以分辨微小的引力红移差异。
• 结果验证了一种新型、稳健的光学频率比对方法，无需远程站点的精确重力位知识。
• 该方法为未来基于可移动钟的全球光学频率标准体系铺平了道路。