米乐m6官方网站（会长：石村和彦）（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部物理测量标准研究部[主任：岛田阳三]时间标准研究小组首席研究员小林拓海，首席研究员赤松大辅，同一研究部副研究主任保坂一元，与横滨合作国立大学、国立大学法人光格子钟长期高可用运行
日本和国外的研究表明，光学晶格钟是一种优秀的时间频率标准，可以在极短的测量时间内实现高精度。根据这些结果，米约定在一次相关会议上，正在考虑使用光的频率重新定义时间单位“秒”。同时，基于未来的新定义国际原子时是啊协调世界时,铯原子弹簧式一次频率标准一样，需要长时间以高运行速率运行，但由于光学晶格时钟是需要许多激光器的复杂器件，因此很难长时间以高运行速率运行。
这次是激光频率自动重锁技术并将其引入稳频系统中，实现了光晶格钟的无人操作。结果，我们在2019年10月至2020年3月的六个月内实现了超过80%的高运行率。这一结果远远超过了迄今为止报道的约一个月的高可用性运行，意味着实现了作为频率标准的世界上最稳定运行的光学晶格时钟。因此，隶属于米制公约相关会议的一个工作组建议该光学晶格钟为国际原子时做出贡献。我们将继续保持更高的开工率，并推动为国际原子时做出贡献，重新定义“秒”的活动。
这项技术的详细信息将发表在 2020 年 11 月 2 日（协调世界时）出版的学术期刊上计量学
通过实现无人操作来实现长期高可用性操作的光学晶格时钟的概念图
日本 AIST 计量标准中心国家计量院，我们发挥着制定各种“测量标准”（测量标准）并将其提供给社会的作用。 2019 年 5 月，国际单位制 (SI)的四个定义：质量、电流、热力学温度和物质的质量单位：千克（kg）、安培（A）、开尔文（K）和摩尔（mol）。通过这次定义的修订，时间单位秒（s）成为实现其他SI基本单位（米、公斤、A、K、cd）所必需的单位，时间标准成为极其重要的标准。
目前，秒是使用与铯原子共振的微波区域（约 92 GHz）的频率来定义的，但使用频率比微波高四到五个数量级的光将可以进一步细分一秒，从而提高时钟的精度。为此，包括光学晶格钟在内的利用光的原子钟（光学钟）的研究在世界范围内得到推进。到目前为止，国际计量局秒的二次表示包括光学晶格钟在内的八种光学时钟被推荐作为秒的新定义的候选者，但对于哪种时钟最合适尚未得出结论。在最近举行的与米制公约相关的会议上，为重新定义秒设定了所需精度等具体条件。条件之一是通过光学钟的贡献来提高国际原子时的精度，并且需要继续运行高精度时钟并将其作为时间标准提供给社会。然而，利用多个极高精度激光器精确控制参考原子状态的光钟的长期连续运行难度极大，目前25天的运行率维持在80%左右。
AIST于2009年开发出世界上第一台镱光学晶格钟。此外，它运行稳定，并具有世界最高水平的极低频噪声。光学频率梳也已被开发出来。光学频率梳可长期稳定工作，还可用于高精度控制激光频率。 2018年，为了解决迄今为止激光频率不稳定的问题，我们采用了应用光学频率梳来稳定激光的方法，并着手开发可长期运行的镱光学晶格钟，在几个月内实现了60小时以上的运行（2018 年 9 月 21 日 AIST 新闻稿）。
这次，在JSPS青年科学研究补助金B（No 17K14367）、基础研究A（No 17H01151）和JST未来社会创建项目（No JPMJMI18A1）的支持下，我们开发了一种镱光学晶格时钟，可以在更高的运行速率下运行更长时间。
镱光学晶格时钟使用镱原子减速激光器（399 nm）、原子冷却激光器（399 nm、556 nm）、光学晶格激光器（759 nm）和时钟激光器（578 nm）。为了使光学晶格钟正确运行，需要以极高的精度连续控制所有这些激光器的频率和功率。镱光学晶格钟集成了许多反馈控制，例如频率锁定，但使用当前的控制方法，控制可能会被外部因素中断，例如温度或大气压力的轻微变化、振动或声学噪声，这是缩短光学晶格钟运行时间的一个因素。因此，在操作光学晶格钟时，实验室里需要有人能够在设备中断后重新启动设备。在本次开发中，我们为每台激光器开发了频率自动重锁定功能，并将其引入到控制系统中，以实现连续无人操作。有了这个功能，即使每个激光器的频率锁定因某种原因中断，也能立即检测到异常并自动恢复原来的频率，让光学晶格钟继续运行，使无人操作成为可能（图1）。
图1 镱光学晶格钟频率自动重锁定功能概念图
通过频率自动重锁定功能，现在可以在不中断激光频率控制的情况下进行无人操作。此外，可以从实验室外部远程监控光学晶格钟的状态，并且可以对系统进行部分远程控制。如果光学点阵钟运行出现问题，会自动向负责人发送电子邮件，通知他们异常情况。
我们于 2019 年 10 月开始运行配备这些功能的镱光学晶格钟，截至 2020 年 3 月的六个月（185 天），运行率达到 803%。从大约一个月的运行状态来看，有一些月份的高可用率超过 90%，如图 2 所示，我们能够根据国家时间频率观察到频率波动实时标准。 185天的时钟大大超过了之前的记录，可以说是目前世界上最稳定的光学时钟。此外，通过实现高可用运行，通过卫星进行的远距离时钟比对的精度也大大提高，使得16位精度的国际原子时监测成为可能。
通过实现迄今为止困难的光学晶格钟的无人操作，我们证明了光学晶格钟可以持续高速率运行，为国际原子时做出贡献，类似于铯原子弹簧型主频率标准，目前对国际原子时的运行做出了巨大贡献。预计有关重新定义秒的讨论将在米制公约相关会议上进一步加速。
此外，在所有可测量的量中，时间和频率的测量最为准确，因此时钟精度的提高和复杂的时钟比较技术将使得观察极小的环境干扰（电磁场、重力场）对时钟频率的影响成为可能。它还有望通过使用可以长时间以高运行速率运行的精确时频源来验证基本物理常数和相对论的恒定性，从而为基础科学的发展做出贡献。
图2 镱光学晶格钟高可用性运行数据示例（25 天测量）
上图中的纵轴代表镱光学晶格钟的相对频率与国家时间频率标准UTC（NMIJ）的相对频率之间的差异（平均68秒）。看起来像白色条纹的区域缺少数据。下图为每日入住率。
未来计划
未来，我们的目标是继续为国际原子时做出贡献。此外，在准备第二次定义修订的过程中，我们将进一步提高镱光学晶格钟的精度和可靠性，增强其作为频率标准的完善性。我们还想考虑建立系统和机构，使社会能够享受将光学频率的惊人精度融入标准时间的复杂性所带来的好处。