我们准备好重新定义“秒”了吗？科学家迈出了重要一步

NPL镱离子光钟中超稳定频率的激光。图片来源：安德鲁·布鲁克斯

英国国家物理实验室 (NPL) 时间与频率负责人海伦·马戈利斯 (Helen Margolis) 表示：“原子钟提供的精确时间和频率信号对许多日常技术至关重要，例如GPS、电网管理和金融交易同步。我们的研究成果有助于提升下一代光学时钟的性能，释放全新的应用潜力，并推动依赖时间和频率的科学研究。”

光学钟是一种原子钟，它利用激光以受控方式激发原子，使原子在特定能级之间移动。这些移动发生在高精度频率上，这些频率相当于时钟的“滴答”声。由于光学钟使用不同类型的原子来测量时间，因此要充分利用其精度，需要进行远距离比较。

单个锶离子（图片中央电极尖端之间的小点）在VTT MIKES光学时钟中散射光。图片来源：Anders Wallin

在Optica出版集团的旗舰期刊《Optica》上，来自多个机构的研究团队发表了使用十个不同的光学时钟同时进行的38次比较（或频率比）的结果。其中四个比较是首次直接进行的，其他许多比较的测量精度显著提高。

意大利国家计量研究所 (INRiM) 高级研究员 Marco Pizzocaro 表示：“这些测量结果提供了关键信息，表明光学时钟仍需开展哪些工作才能达到国际计时所需的精度和可靠性。我们的实验还展示了如何将欧洲各地的光学时钟连接起来，以最先进的精度测量频率比。这将创建一个分布式实验室，也可用于进行基础物理测试，例如寻找暗物质或测试物理学的基本规则。”

Rachel Godun 协调了一个由多个机构组成的研究小组，他们同时测量了十个不同光学时钟的 38 个频率比。图中她与 NPL 的镱离子光学时钟合影。图片来源：Thilina Senaviratne

几十年来，全球时间标准一直基于来自世界各地铯微波原子钟信号的平均值。但随着光学钟的精度和稳定性日益提高，越来越多的人支持使用光学钟重新定义国际单位制（SI）秒。这些原子钟的精度现在比最好的铯钟高出约100倍，并且能够精确地测量时间，以至于数十亿年内的误差不超过一秒。

要使用光学时钟进行国际计时，必须比较不同时钟的数据，以确保它们运行一致。为了支持这项工作，研究人员在一项由欧盟资助的重大合作项目中，对六个国家的光学时钟进行了高度协调的比较。

NPL的锶光晶格钟。图片来源：安德鲁·布鲁克斯

芬兰 VTT MIKES 高级科学家 Thomas Lindvall 表示：“同时比较多个时钟并使用多种链路技术，能够提供比迄今为止主要进行的成对时钟比较更多的信息。通过一组协调一致的测量，可以检查一致性，同时提供更可靠的结果。这些结果有助于确定在新的秒定义中应该使用哪个（些）光学时钟。”

为了进行测量，研究人员必须将不同光学时钟系统的频率输出连接起来。他们采用了两种方法：来自卫星的无线电信号和通过光纤传播的激光。

卫星方法利用了卫星导航系统的GPS信号，该信号可供研究中所有时钟使用。然而，由于信号噪声或仪器限制等因素造成的测量不确定性，这种连接技术的精度有限。

NPL镱离子光钟团队（从左到右：Patrick Regan、Anne Curtis、Rachel Godun、Alexandra Tofful）。图片来源：Thilina Senaviratne

研究人员还使用了定制的光纤链路，这使得测量精度比卫星技术高出100倍。然而，在国际比对中，这些稳定、高精度的连接只能用于连接法国、德国和意大利的时钟。此外，在德国和英国境内，由于多个时钟位于同一研究所，因此使用短光纤进行本地比对，这进一步降低了不确定性。

研究人员表示，协调分布在不同国家的十台高性能时钟同时运行，以及连接这些时钟的所有链路，需要在测量之前就进行广泛的规划。数据分析也带来了一些挑战。

“并非所有结果都符合我们的预期，而且我们在测量中观察到了一些不一致之处，”NPL首席科学家Rachel Godun说道。“然而，同时比较这么多时钟，并使用多种技术来关联时钟，使得我们更容易识别问题的根源。”

实验确定了一些需要进一步研究的领域。例如，为了确认所有时钟均按预期运行，必须降低测量不确定度，使其与时钟本身的精度相匹配。之后，需要进行重复测量，以确认其运行可靠，从而建立对时钟和链路的信心。除此之外，在重新定义秒之前，还必须满足其他几个标准，包括证明光学时钟能够定期且持续地为国际时间尺度做出贡献。

编译自/ScitechDaily