得益于光学原子钟，“一秒”的定义可以更精确了

得益于光学原子钟，“一秒”的定义可以更精确了。

phys.org网站4月11日报道，研究人员测定了新型光学原子钟的性能，其精确度打破了此前的纪录。这一成果意味着新一代光学原子钟已经非常精确和稳定，这对重新定义“一秒钟”的官方长度有重要意义。目前，官方定义的“一秒钟”是基于微波原子钟的结果。项目领导人之一、美国国家标准和技术研究院（NIST）研究人员Andrew Ludlow说：“对‘一秒钟’进行更准确的定义以及开发更好的计时系统，对通信和导航系统的发展很关键。此外，准确的计时系统还能为探索未知的物理现象提供更精确的测量结果。”相关研究成果刊登于《光学设计》杂志。Ludlow补充说：“光学时钟可能具有更高的精确度，但要超出当前‘秒’定义的限制，证明这些计时装置的真正准确性，就必须直接对各种类型的光学时钟进行高质量比较。”

时钟的工作原理是：计算具有已知频率的重复事件，例如钟摆的摆动。对于传统原子钟而言，铯原子的自然振荡是周期性事件，其频率位于电磁频谱的微波区。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9192631770个周期中所经历的时间。光学原子钟使用的原子一般是镱和锶，其振荡频率大约是微波频率的10万倍，处于电磁谱的可见区域。频率更高的光学时钟比微波原子钟走得更“快”，这使得它们随着时间的推移更为精确和稳定。研究人员Tara Fortier解释说：“光学时钟测量的频率越高，通常越容易降低环境对原子的影响。这一显著优势有望使紧凑型光学时钟系统的开发成为现实。这类系统可在非常广泛的应用环境中保持高性能。”

为了证实光学时钟记录的时间与当前使用的标准铯原子钟的记录值是匹配的，研究人员将NIST的镱光学原子钟的频率转换到微波区域，并将其与全球铯原子钟的数据进行了比对。他们发现，镱光学时钟频率测量的不确定度为2.1×10-16，这大致相当于在宇宙年龄（140亿年）中损失了100秒。这一结果创造了光学时钟的铯参考测量值的新准确度纪录。

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的研究人员使用了8个氢微波激射器来记录光学时钟不工作时的时间。氢微波激射器虽然可以可靠地记录时间，但精度有限。研究人员Tom Parker说：“氢微波激射器的可靠性是我们能够进行精确比较的原因之一。”Parker等在8个月内进行了79次测量，进一步降低了不确定性。

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，通过比较NIST的时钟和其他国家的光学时钟，确定出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”可能还需要好几年的时间。即使新标准发生了变化，应用新标准也需要做好全球的协调工作，以保持时间的稳定性和准确性。

科界原创

编译：雷鑫宇

审稿：alone

责编：唐林芳

期刊来源：《光学设计》

期刊编号：2334-2536

原文链接：

https://phys.org/news/2019-04-super-accurate-optical-atomic-clocks-critical.html