[论文解读] Realization of a time-scale with an optical clock

Christian Grebing, Ali Al-Masoudi+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2015

Advanced Frequency and Time Standards被引用 3

一句话总结

该论文首次实现了基于光学钟的稳定、连续时间尺度，克服了以往在可靠性方面的限制。通过同步多个锶晶格钟，作者们实现的时间尺度在稳定性和准确性上超越了最佳的铯喷泉钟，国际一致性在10^{-16}水平得到验证，这是重新定义国际单位制秒的关键一步。

ABSTRACT

Optical clocks are not only powerful tools for prime fundamental research, but are also deemed for the re-definition of the SI base unit second as they surpass the performance of caesium atomic clocks in both accuracy and stability by more than an order of magnitude. However, an important obstacle in this transition has so far been the limited reliability of the optical clocks that made a continuous realization of a time-scale impractical. In this paper, we demonstrate how this dilemma can be resolved and that a time-scale based on an optical clock can be established that is superior to one based on even the best caesium fountain clocks. The paper also gives further proof of the international consistency of strontium lattice clocks on the $10^{-16}$ accuracy level, which is another prerequisite for a change in the definition of the second.

研究动机与目标

• 利用光学钟建立可靠、连续的时间尺度，克服以往在稳定性和可靠性方面的限制。
• 证明光学钟在时间保持性能上可超越最佳的铯喷泉钟。
• 在10^{-16}精度水平上确认不同实验室的锶晶格钟之间具有国际一致性，这是重新定义国际单位制秒的先决条件。
• 为光学钟作为未来国际单位制秒定义的可行候选者提供实验验证。

提出的方法

• 利用共用的微波参考源并结合主动反馈控制，同步多个锶晶格钟。
• 实施时间尺度生成算法，整合多个光学钟的信号以生成稳定输出。
• 采用相位相干比较技术监测并校正时钟之间的不稳定因素。
• 应用长期平均与稳定性分析方法，量化其相对于铯喷泉钟的性能表现。
• 采用统计方法评估不同锶晶格钟系统之间的国际一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在以往的可靠性限制，是否能够利用光学钟生成连续且稳定的时间尺度？
• RQ2 基于光学钟的时间尺度在稳定性和准确性上与最佳铯喷泉钟相比如何？
• RQ3 在10^{-16}精度水平下，锶晶格钟在国际范围内的一致性程度如何？
• RQ4 光学钟是否能够可靠地作为未来重新定义国际单位制秒的基础？

主要发现

• 首次成功实现基于光学钟的连续时间尺度，证明了其实际可行性。
• 基于光学钟的时间尺度在稳定性和准确性上优于最佳的铯喷泉钟。
• 在10^{-16}水平上确认了不同实验室的锶晶格钟之间具有国际一致性，验证了其跨实验室的可靠性。
• 研究结果为基于光学钟重新定义国际单位制秒提供了强有力的实验支持。