- 利用高可用性的光学晶格钟抑制氢脉泽原子钟的频率波动
- 证明可以在很长一段时间内稳定地实现协调世界时 ±1 ns（十亿分之一秒）内的同步精度
- 重新定义秒的考虑正在加速
使用光学晶格时钟生成当前时间频率国家标准UTC（NMIJ）（上图）和未来国家标准UTC（NMIJ）´（下图）的概念图。
米乐m6官方网站计量中心物理测量标准研究部首席研究员小林匠、横滨国立大学赤松大辅副教授等光格子钟成功生成了连续 230 天的高精度时间系统。
目前，使用光学晶格钟获得的光频率是标准。秒的定义回顾（秒的重新定义）正在讨论中。如果重新定义秒，预计将建立比当前定义精细数万倍的尺度，从而为社会提供高精度的时间和频率信息。修订第二个定义仍然存在许多挑战，包括确保新定义随着时间的推移比当前定义更加准确和稳定。其中，利用光学晶格钟调整原子钟的频率以产生高精度和稳定的时间系统被认为是重新定义秒所需实现的条件之一，各国正在进行研究。在AIST，它是一个可以连续运行的原子钟氢脉泽原子钟的频率来生成的，但预计通过使用光学晶格时钟对其进行调整将生成更精确的时间系统。然而，迄今为止，光学晶格钟只能以较低的运行速率运行，因此在光学晶格钟停止期间很难精确调整原子钟的频率。
这次，我们利用过去以高运行率成功运行的光学晶格钟的数据来调整氢微波激射原子钟的频率，从而创建了一个基于光学晶格钟的时间系统。这个时间系统是当时230天的国际时间标准协调世界时 (UTC)的时间差在±1 ns（十亿分之一秒）以内。这项研究的结果预计将加速重新定义第二个的研究。
该技术的详细信息将于 2024 年 6 月 7 日（美国东部标准时间）公布。已应用物理审查发布
目前，秒是由铯原子的微波谐振频率（约92 GHz）定义的，精度为15至16位（每3000万至3亿年一秒）。使用高于微波（400至500太赫兹）光学频率的光学晶格钟预计可将时间精度提高一到两个数量级，使其成为重新定义秒的有希望的候选者。为了重新定义第二个，仍然存在许多挑战，例如确保使用光的新定义在很长一段时间内比当前使用微波的定义更加准确和稳定，以及确保与当前定义的连续性。重新定义秒所需的条件之一是调整氢微波激射原子钟的频率，该原子钟可以使用光学晶格钟连续运行，从而在很长一段时间内产生高精度和稳定的时间系统。
由于氢脉泽原子钟的频率是逐渐变化的，因此必须定期调整。时间系统是根据利用人造卫星远程比对获得的与UTC的差异，通过手动调整频率来生成的。因此，预计通过利用光学晶格钟调节氢微波激射原子钟的频率，将有可能产生比现有精度更高的时间系统，各国正在进行研究。然而，光学晶格钟是极其复杂的设备，需要手动微调，许多研究机构只能以较低的运行速率运行，无法完全抑制光学晶格钟停止期间氢脉泽原子钟频率的波动。
UTC是由全球数百个原子钟加权平均计算得出的时钟系统，具有很高的稳定性和冗余性，已成为全球标准。然而，UTC是一个虚拟的时间系统，在计算机上每月生成一次，无法实时使用。因此，每个国家国家计量院，我们使用可以连续运行的氢脉泽原子钟来生成和提供尽可能接近UTC的时间系统UTC(k)（k：研究机构的名称）。 AIST 生成 UTC(NMIJ)（NMIJ：日本国家计量院）作为国家时间频率标准，并将与 UTC 的时差控制在几十纳秒以内。
AIST 开发了一种镱光学晶格时钟，可以高可用性运行数月 (2020 年 11 月 3 日 AIST 新闻稿）。该光学晶格钟参与UTC频率校准工作，为准确维护国际标准时间的活动做出了贡献。这次，我们利用迄今为止获得的高运行率数据，努力提高UTC（NMIJ）与UTC的同步精度。
此项研究与开发得到了 JSPS KAKENHI 青年研究员 B 号（编号 17K14367）、基础研究 B（编号 22H01241）、基础研究 A（编号 17H01151）、JST 未来社会创建项目（编号 JPMJMI18A1）和 JST Moonshot 的支持研究与开发项目（编号：JPMJMS2268 支持）。
UTC(NMIJ)由氢脉泽原子钟和频率调节器组成。在常规操作中，通过手动调整频率将UTC与UTC（NMIJ）之间的时差保持在几十纳秒以内。在这项研究中，我们提出了一种通过利用光学晶格钟测量氢脉泽原子钟的频率并自动校正氢脉泽频率波动来使UTC（NMIJ）频率尽可能接近UTC的方法。如果UTC和UTC(NMIJ)的频率接近，则可以使UTC和UTC(NMIJ)之间的时差保持较小。尽管之前已有关于这种方法的研究（参考文献1-3），但一般来说，光晶格钟很难长时间连续运行，因此光晶格钟的运行一直是间歇性的（运行率<20%）。在光学晶格钟停止期间，无法完全掌握氢微波激射原子钟的频率波动，并且如果该期间长时间停止，与UTC的时差可能会显着增大。在这项研究中，我们的目标是通过以高运行率（运行率>80%）运行光学晶格时钟来抑制时间差的扩展，这在我们过去已经实现了（见图1）。
图 1 光学晶格时钟 (a) 间歇操作（20% 可用性）和 (b) 高可用性操作（80% 可用性）中生成的时间系统行为的概念图。通过在光学晶格钟的工作期间抑制氢微波激射原子钟的频率波动，时间差的斜率变得平坦，并且可以抑制时间差的扩展。如果光学晶格时钟由于间歇操作而长时间停止，则在此期间时间差可能会扩大。另一方面，在高可用性操作中，斜率可以在大部分时间段内变平，从而可以最小化时间差的扩展。这些数字是通过假设AIST的氢微波激射原子钟的频率波动特性进行模拟而获得的。
这次，作为使用光学晶格时钟实时生成时间系统的初步测试，我们使用过去的数据进行频率调整，并基于光学晶格时钟生成时间系统UTC（NMIJ）´。图2（a）显示了2019年11月12日至2020年6月29日230天内光学晶格钟（运行率816%）监测的氢脉泽原子钟的频率数据。获得的氢脉泽原子钟的频率值大约每20分钟调整一次，预计这是理论上的最佳间隔。频率调整值考虑了光学晶格钟的运行速率（大约每20分钟一次）以及氢脉泽原子钟特有的频率波动特征。频率调整算法确定结果，UTC 和 UTC(NMIJ)´ 之间的时间差保持在 ±1 ns 以内。生成的UTC(NMIJ)´与现行国家标准UTC(NMIJ)相比，与UTC的同步精度显着提高(见图2(b))。此外，即使与另一机构在同一 230 天内生成的世界最高标准 UTC(k) 相比，UTC(NMIJ)´ 也显示出更高的同步精度（见图 2(c)）。在这些机构中，铯原子喷泉钟高可用率，并使用它们来提高 UTC(k) 与 UTC 的同步精度。图2（c）中的比较结果表明了光学晶格钟在生成时间系统方面的优越性。光学晶格钟对UTC(k)的贡献被认为是重新定义秒所需实现的条件之一，各国正在进行研究。这项研究的结果预计将加速重新定义秒的研究。
图 2 (a) 通过光学晶格钟的高可用性运行（230 天可用性为 816%）监测到的氢微波激射原子钟频率波动的相对值。为了方便起见，图中横轴为
修改的儒略日期被使用。带误差条的黑点是使用光学晶格钟测量氢脉泽原子钟的频率。红点表示由频率调整算法确定的频率调整值。 (b) UTC(NMIJ)´ 和 UTC(NMIJ) 与 UTC 之间的时间差。 (c) UTC(NMIJ)´ 与其他机构生成的世界最高水平 UTC(k) 之间的时差对比。 k 的示例包括美国海军天文台 (USNO)、德国物理技术研究所 (PTB) 和巴黎天文台 (OP)。
*本新闻稿中的图 2 是对原始论文中的数字的引用或修改。
未来，我们的目标是通过高可用性运行光学晶格时钟来实时生成 UTC(NMIJ)´，并将其作为国家时间频率标准来运行。我们还将利用高精度时频标准促进基础物理研究（2022 年 12 月 8 日 AIST 新闻稿、AIST 2023 年 7 月 6 日新闻稿)。
已出版的杂志：已应用物理审核
论文标题：在近乎连续运行的光学晶格时钟的辅助下生成精确的时间尺度
作者：Takumi Kobayashi、Daisuke Akamatsu、Kazumoto Hosaka、Yusuke Hisai、Akiko Nishiyama、Akio Kawasaki、Masato Wada、Hajime Inaba、Takehiko Tanabe、Tomonari Suzuyama、Feng-Lei Hong、Masami Yasuda
DOI：101103/PhysRevApplied21064015
1) H Hachisu、F Nakakawa、Y Hanado 和 T Ido，基于光学时钟的长达数月的时间尺度实时生成，科学报告 8, 4243 (2018).
2) J Yao、J A Sherman、T Fortier、H Leopardi、T Parker、W McGrew、X Zhang、D Nicolodi、R Fasano、S Schäffer、K Beloy、J Savory、S Romisch、C Oates、S Diddams、A Ludlow 和 J Levine，基于光学时钟的时间规模，已应用物理审核12, 044069 (2019).
3) V Formichella、G Signorile、T T Thai、L Galleani、M Pizzocaro、I Goti、S Condio、C Clivati、M Risaro、F Levi、D Calonico 和 I Sesia，具有亚纳秒能力的长达一年的光学时标，光学 11, 523 (2024).