在光学定义时间方面取得进展可以改善先进的通信和寻找新的物理学。

华盛顿 - 研究人员测量了一个光学时钟的滴答声，具有破纪录的准确性，同时也表明时钟可以以前所未有的一致性运行。 这些成就代表着新一代光学原子钟精确且足够强大以用于重新定义目前基于微波原子钟的官方长度。“更准确地定义时间和更好的计时基础设施将支持在各种应用中使用的计时系统的持续进步，包括通信和导航系统，”来自美国国家标准与技术研究院（NIST）团队领导人之一的Andrew Ludlow说。 “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。”

图片说明：研究人员测量了这种镱光学时钟的滴答声，并具有破纪录的准确性。 新工作是基于光学时钟保持的时间朝着重新定义一秒长度的重要一步。 图片来源：NIST Phillips，NIST

这项新研究报告在Optica，The Optical Society的高影响研究期刊上发表。“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得的效果好10到100倍，”Ludlow说。 “为了证明这些时钟的真实准确性而不受今天的秒钟定义的限制，需要在各种类型的光学时钟之间直接进行高质量的比较。”

为什么要使用光学时钟？

时钟通过计算具有已知频率的重复事件来工作，例如钟摆的摆动。 对于传统的原子钟，复发事件是铯原子的自然振荡，其频率在电磁波谱的微波区域。 自1967年以来，国际单位制（SI）将时间定义为这些振荡产生的9,192,631,770个微波信号周期所经过的时间。光学原子钟使用诸如镱和锶之类的原子，其在电磁波谱的光学或可见光部分中比微波频率振荡大约100,000倍。 这些更高的频率允许光学时钟比微波原子钟更快地滴答，使它们随着时间的推移更加准确和稳定。“通过光学时钟测量的较高频率通常可以更容易地控制环境对原子的影响，”研究团队成员Tara Fortier说。 “这一优势最终可以促进紧凑型光学时钟系统的发展，从而在广泛的应用环境中保持相对较高的性能。”

为了证明与光学时钟保持一致的时间与当今的标准铯原子钟兼容，研究人员将NIST的镱光学原子钟的频率转换为微波区域，并将其与来自铯原子钟的一系列测量值进行比较。他们实现了镱光学时钟的频率测量，其不确定度为2.1×10-16。这相当于在宇宙时代（140亿年）仅损失约100秒，并为光学时钟的铯参考测量设定了新的准确度记录。尽管光学时钟非常精确，但由于其技术复杂性和原型设计，它们确实会经历显著的停机时间。 NIST的研究人员使用了一组八个氢脉泽来保持光学时钟不工作的时间。 Masers就像在微波光谱范围内工作的激光器一样，可以可靠地保持时间但精度有限。

“激光的稳定性 - 世界上最好的当地时间尺度之一 - 是我们能够与铯进行如此准确比较的一个原因，”研究团队成员汤姆帕克说。他们通过在8个月内进行79次测量进一步降低了不确定性。这是第一次在如此长的时间内报告光时钟测量。为了更好地理解光学时钟的限制，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，可以将NIST时钟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SI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。即使它确实发生了变化，应用新标准也需要能够以保持稳定性和时间准确性的方式更好地连接和传输来自世界各地的光学时钟信号的技术。

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