光学定义“秒”的进展可以改善先进的通信系统以及对新物理的探索

近日，来自美国国家标准和技术研究院的研究人员们测量了一种光学时钟的滴答声，其准确度打破了世界纪录，同时也表明，这种时钟可以以前所未有的一致性来工作。这些成就代表着向证明新一代光学原子钟足够精确和稳健，可以用来重新定义一秒的官方长度迈出了重要的一步，目前的官方长度是由微波原子钟定义的。 
   “更准确的定义“秒”和更好的计时设备可以支持广泛应用于通信和导航等系统的计时系统的持续发展,” Andrew Ludlow说道，他是该研究小组的领导人之一。“它还将为探索尚未完全理解的物理现象提供更精确的测量。”
       这项新研究发表在美国光学学会的《光学学报》上。Ludlow说：“光学时钟可能具有更高的精度，可能比我们在这项工作中测量到的精度高10到100倍。”“要证明这些时钟的真正准确性，而不受目前“秒”的定义的限制，就需要直接在各种类型的光学时钟之间进行高质量的比较。”
为什么要使用光学时钟?
       时钟的工作原理是计算具有已知频率的重复事件，如钟摆的摆动。对于传统原子钟来说，铯原子的自然振荡是其周期性事件，铯原子的频率在电磁频谱的微波区。自1967年以来，国际单位制(SI)将秒定义为由这些振荡产生的微波信号的9,192,631,770个周期中所经过的时间。 光学原子钟使用的原子，如镱和锶，其振动频率约为微波频率的10万倍。这些更高的频率使得光学时钟比微波原子钟走得更快，使它们随着时间的推移更加精确和稳定。研究小组成员Tara Fortier说：“光学时钟测量的频率越高，通常就越容易控制环境对原子的影响。这一优势最终将使紧凑型光学时钟系统的开发成为可能，该系统可在广泛的应用环境中保持相对高性能。”
实现记录的准确性
      为了证明光学时钟所记录的时间与今天的标准铯原子钟是兼容的，研究人员将NIST的镱光学原子钟的频率转换成微波区域，并将其与来自全球铯原子钟的一系列测量数据进行了比较。
      他们实现了镱光学时钟的频率测量，不确定度为2.1×10^-16。这相当于在宇宙的年龄(140亿年)中只损失约100秒，并为光学时钟的铯参考测量创造了一项新的准确度记录。尽管光学时钟非常精确，但由于其技术复杂性和原型设计，它们往往会经历明显的停机时间。NIST的研究人员使用8个氢脉塞来记录光学时钟不工作时的时间。脉塞就像在微波光谱范围内工作的激光一样，可以可靠地保持时间，但精度有限。
    “由于脉塞的稳定性，它世界上最好的局部时间尺度之一，这就是我们能够与铯进行如此精确比较的原因之一，”研究小组成员Tom Parker说。他们在8个月内进行了79次测量，进一步降低了不确定性。这是在如此长的时间内首次报道光学时钟测量。
       为了更好地理解光学时钟的局限性，研究人员计划将本研究中使用的镱光学时钟与NIST正在开发的其他类型的光学时钟进行比较。最终，NIST时钟可以与其他国家的光学时钟进行比较，以确定哪种类型的时钟最适合重新定义国际单位制的秒。
       研究人员指出，重新定义一秒钟的长度还需要几年的时间。即使新标准发生了变化，应用新标准也需要更好地连接和传输来自世界各地光学时钟的信号的技术，以保持时间的稳定性和准确性。

图：研究人员以破纪录的精确度测量了这只镱光学钟的滴答声。这项新工作是根据光学时钟的时间重新定义一秒的长度。

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