原子鐘

有關廣播信號更新的時鐘，請參見無線電時鐘。為了衡量災難性破壞的風險，請參見世界末日時鐘。有關其他主題，請參閱原子鐘（歧義）.
原子鐘
NIST-F2 cesium fountain atomic clock.jpg
NIST物理學家Steve Jefferts（前景）和Tom Heavner和Nist-F2宮壺原子鐘，這是美國的平民時間標準
分類鐘
行業電信，科學
應用太極，衛星導航
燃料來源電
動力是的
主原子時鐘合奏美國海軍天文台在華盛頓特區。，它為美國國防部提供了時間標準。[1]背景中的架子安裝的單元是微膜（以前是HP）5071a剖腹時鐘。前景中的黑色單元是Microsemi（以前是Sigma-Tau）MHM-2010氫maser標準。

一個原子鐘是一個鐘通過監測原子的輻射頻率來衡量時間。它基於原子具有不同能量水平。原子中的電子狀態與不同的能級有關，在這種狀態之間的過渡中，它們與非常特異的相互作用頻率的電磁輻射。這種現像是國際單位體系'定義第二：

第二個符號是SI的時間單位。它是通過佔剖腹頻率的固定數值來定義的，剖宮產133原子的不受干擾的地下態超精細過渡頻率為9192631770當在單位Hz中表達時，等於s-1.

該定義是系統系統的基礎國際原子時間（TAI）由世界各地的原子鐘合奏所維持。系統協調的通用時間（UTC）這是民間工具的基礎跳躍秒為了讓時鐘時間跟踪更改地球的旋轉在一秒鐘之內，基於基於第二個定義的時鐘。

原子鐘的準確計時功能也用於導航衛星網絡如那個歐洲聯盟伽利略計劃和美國的全球定位系統。原子時鐘的計時精度很重要，因為時間測量中的誤差越小，通過將時間乘以乘以距離的距離誤差越小光速是。

原子鐘的主要種類使用冷卻至絕對零的溫度的剖腹原子。美國的主要標準國家標準技術研究所（NIST）銫噴泉時鐘命名nist-f2在3億年內的不確定性不確定性為1秒的時間（相對不確定性）10-16）。

歷史

路易斯·埃森（Louis Essen）（右）和傑克·帕里（Jack Parry）（左）站在世界上第一個Caesium-133原子鐘旁邊

溫度波動降低了石英時鐘和機械時鐘的準確性。這導致了測量原子振動頻率以更準確地保持時間的想法，如詹姆斯·克萊克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell），開爾文， 和Isidor Rabi.[2]他在1945年提出了這個概念，這導致了基於時鐘的演示氨1949年。[3]這導致了第一個準確的原子鐘在國家實驗室在英國帶有剖腹原子。[4][5]

1975年（上部單元）和備用電池（下單元）的剖腹時鐘[6]

在1950年代，國家公司出售了第一個原子鐘的50多個單位，原子.[7]1964年，工程師在惠普釋放了5060架安裝在瓶子鐘的機架型號。[2]

第二個定義

1968年，第二個持續時間被定義為9192631770CAESIUM-133原子的未擾動地下態超精細過渡頻率的振動。在此之前，它是由存在的31556925.9747幾秒鐘熱帶年1900。[8]當前的定義已重新命名以反映安培，開爾文，公斤， 和痣在2019年重新定義國際單位體系。保持研究人員目前正在努力為第二次開發更加穩定的原子參考，併計劃在原子鐘有所改善中找到更精確的第二個定義。[9][10]

光時時鐘的進步

使用光子精確測量時間的ytterbium晶格時鐘

光學時鐘是在2000年代首次開發的。儘管光學時鐘不如剖腹時鐘那麼成熟，但考慮到自1960年第二次定義以來，考慮到剖腹時鐘，它們一直在迅速達到新的準確性水平。光學時鐘與可用的最準確的銫時鐘一樣精確，即相對不確定性10-16，現在正在進一步發展。

超出剖腹時鐘精度的第一個進步發生在2010年的NIST，展示了“量子邏輯”光學時鐘，該光學時鐘使用鋁離子實現精度10-17.[11]當科學家致力於根據Ytterbium，Mercury，Aluminum和Strontium開發時鐘，光學時鐘是計量學領域非常活躍的研究領域。吉拉（Jila）的科學家展示了一個以頻率精度10-182015年。[12]NIST的科學家開發了一個量子邏輯時鐘，該時鐘在2019年測量了單個鋁離子，其頻率不確定性10-19.[13][14]在2021年9月的吉拉（Jila），科學家們展示了一個光學時鐘，其頻率差分精度為7.6×10-21.[15][16]當光學時鐘的現場成熟時，預計第二次將重新定義，左右在2026年或2030年。[10]為了實現這一目標，光鐘必須能夠始終如一地測量時間到很高的精度。此外，必須證明在國家計量學實驗室中可靠，準確比較世界各地的不同光學時鐘的方法。

計量進步和光學時鐘

技術發展，例如激光和光學頻率梳子在1990年代，原子鐘的準確性提高。[17][18]

芯片規模的原子鐘，例如2004年揭幕，大大改善了全球定位系統地點。

除了提高精度外，芯片量表原子鐘的發展還可以擴大原子鐘的數量。 2004年8月，nist科學家證明了芯片尺度原子鐘比普通原子時鍾小100倍，並且使用的功率要小得多125MW.[19][20]這項技術於2011年商業上獲得。[19]一個芯片規模的原子鐘需要少於30毫米的力量.[21]

計量學家目前（2022）設計了實現新開發項目（例如離子陷阱）和光學梳子以達到更高準確性的原子鐘。[22]

原子鐘如何工作

時間標準

原子時鐘基於一種原子系統，該原子可能位於兩個可能的能量狀態之一中。製備了一組原子，然後進行微波輻射。如果輻射的頻率正確，則許多原子將過渡到其他能量狀態。頻率越接近原子的固有振盪頻率，原子將切換狀態越多。這允許非常準確地調整微波輻射的頻率。一旦將微波輻射調整為已知頻率，就可以用作計時振盪器來測量經過的時間。[23]

少數國家計量學實驗室，例如lne syrte，PTB，nist，吉拉，NPL和vniiftri以極高的精度實現時間。他們通過設計和構建頻率標準標準來實現這一目標，該標準以與剖宮產133的過渡頻率的關係產生電振盪，以達到非常低的不確定性。這些主要頻率標準估計並糾正各種頻移，包括相對論多普勒移動與原子運動有關，熱輻射環境（黑體轉移）和其他幾個因素。最好的主要標準標準電流以準確性的準確性產生SI第二部分的不確定性1016.

重要的是要注意，在此級別的準確性下，設備中重力場的差異不容忽視。然後在一般相對論提供一個恰當的時機在特定點。[24]

BIPM提供了該頻率的清單第二個的次要表示。此列表包含Rubidium微波過渡和其他光學轉變的頻率值和各自的標準不確定性，包括中性原子和單個捕獲離子。這些次要頻率標準可以像1018但是，列表中的不確定性是1014–1016。這是因為在1014–1016.

一級頻率標準可用於校準國家實驗室中使用的其他時鐘的頻率。這些通常是具有非常良好的長期頻率穩定性的商業銫時鐘，保持穩定性優於1部分的頻率1014幾個月來。主要標準頻率的不確定性約為1013.

氫masers依賴於原子氫的1.4 GHz超精細過渡，也用於時間計量學實驗室。就短期頻率穩定性而言，MASERS的表現優於任何商業剖腹產。傳統上，這些儀器已被用於所有應用程序，這些應用都需要在少於一天的時間段內進行穩定的參考（頻率穩定性在十個平均時間約為幾個小時的頻率穩定性）。由於某些活躍的氫酶隨著時間的流逝而有一個適度但可預測的頻率漂移，因此它們已成為BIPM實施國際原子時間的商業時鐘合奏的重要組成部分。[24]

與衛星同步

用BIPM運行的計量實驗室操作的時鐘的時間讀數需要非常準確地知道。某些操作需要同步的原子鐘，該原子鐘被大距離隔開。全球導航衛星系統（GNSS）為時間傳輸問題提供了令人滿意的解決方案。美國全球定位系統，俄語全球導航衛星系統（GLONASS）， 歐盟伽利略和中國人貝杜網絡設計用於準確定位，還具有可以廣播時間信號的原子鐘。

從一個具有準確已知位置的接收器的計量實驗室中，從一個衛星接收到的信號可以使局部時間尺度和GNSS系統時間之間的時間差在15分鐘以上平均時以幾納秒的不確定性確定。接收器允許同時接收來自幾個衛星的信號，並利用在兩個頻率上傳輸的信號。隨著更多衛星的啟動並開始操作，時間測量將變得更加準確。

這些時間比較的方法必須對特殊相對論和一般相對論幾納秒。

代表世界各地定義國際原子時間（TAI）的原子鐘的數據點

國際計時

國家實驗室通常運行一系列時鐘。這些是獨立於彼此的，它們的測量值有時會結合起來，以產生比任何貢獻時鐘更穩定，更準確的量表。該量表可以在實驗室中的不同時鐘之間進行時間比較。這些原子時間尺度通常稱為實驗室k的TA（k）。

坐標通用時間（UTC）是將全球國家實驗室與國際原子時間進行比較的結果。在大約80個時間機構中，國際原子時間的平均值約為450個時鐘。太極的相對穩定性約為1016.

在發表TAI之前，將結果的頻率與SI第二個在各種主要和次要頻率標準處進行比較。這需要相對論校正才能應用於主要標準的位置，該標準取決於同等重力電位和旋轉的Geoid地球。這些更正大約為每個部分1016海拔米。每個月稍微變化旋轉的旋轉地質和太極拳的值，可在BIPM圓形T出版。隨著世界各地的原子鐘的平均值，TAI時尺度的尺度被推遲了幾週。

太極沒有在日常時間表中分發。取而代之的是，添加或減去整數的LEAP秒數，以校正地球旋轉，從而產生UTC。修改了LEAP秒，因此地球的平均旋轉時間不會從UTC中午偏離超過0.9秒。

國家計量機構保持了UTC的近似值，稱為實驗室k的UTC（k）。 UTC（K）由BIPM的時間和頻率諮詢委員會分發。偏移UTC-UTC（k）每五天每月傳播一次。原子鐘記錄UTC（K）的數量不超過100納秒。在某些國家 /地區，UTC（k）是廣播，電視，電話，互聯網，光纖電纜，時間信號發射器和口語時鐘。此外，GNSS還為該國精確地進行了時間測量，以確定十納秒或更高的時間。

考慮因素

標準的壽命是一個重要的實際問題。例如，氫mas時鐘較便宜，但長期準確性較低。另一方面，銫時鐘更準確，但昂貴得多。

原子鐘的功耗隨其大小而異。例如，rubidium時鐘的準確性較差，但比極精確的光學鍶時鍾小得多。

類型

一支攜帶Rubidium時鐘的美國空軍飛行員團隊。
氫mas

銫

主要文章：剖宮產標準

銫時鐘包括NIST-F1時鐘，於1999年開發nist-f2時鐘，2013年開發。[25][26]

Cesium具有多種特性，使其成為原子鐘的理想選擇。而a氫原子在室溫下以1,600 m/s的速度移動氮原子以510 m/s移動銫由於其質量增加，原子以130 m/s的速度移動。[27][2]剖宮產的超細頻率（9.19 GHz）也高於其他元素，例如Rubidium（6.8 GHz）和氫（1.4 GHz）。[2]高頻的高頻可以進行更準確的測量。適合國家標準的銫參考管持續約七年，費用約為35,000美元。像美國時間標準原子鐘，NIST-F1和NIST-F2這樣的初級頻率和時間標準使用更高的功率。[20][28][29][30]

銣

主要文章：rubidium標準

rubidium標準鐘的價格低廉，尺寸很小（商業標準與17厘米3）[19]和短期穩定性。它們用於許多商業，便攜式和航空航天應用。現代rubidium標準管持續了十多年，價格只能花費50美元。例如，一些商業應用使用rubidium標準，定期糾正全球定位系統接收器（請參閱GPS紀律振盪器）。這實現了出色的短期準確性，其長期準確性等於（並且可追溯）美國國家時間標準。[31]

氫

主要文章：氫mas

與其他標準相比，氫酶具有較高的短期穩定性，但長期準確性較低。由於腔體標準的長期穩定性隨著時間的推移而變化而降低。

時間測量機制

國際單位系統定義

主要文章：SI基礎單元

自1968年以來，SI將第二個定義為9192631770週期輻射的輻射對應於凱森133原子基態的兩個能級之間的過渡。在1997年，國際體重與措施委員會（cipm）補充說，前面的定義是指在溫度下的靜止狀態絕對零度.[32]：113

該定義使銫振盪器成為時間和頻率測量值的主要標準，稱為剖宮產標準。跟隨2019年重新定義SI基礎單元，除了每個基本單元的定義痣幾乎每個派生單元依靠第二個的定義。

調整和優化

典型的商業銫光束頻率參考的簡化框圖

在這種特殊的設計中，原子鐘的時間引用由微波頻率振蕩的石英鐘組成。佈置振盪器，以便其頻率確定的組件包括可以通過反饋信號控制的元素。反饋信號使振盪器調節諧振隨著頻率超精細轉變.

核心無線電頻率原子鐘是一個可調的微波腔包含氣體。在一個氫mas時鐘氣體排放微波（氣體mases）在超精細轉變上，腔體振蕩的場並調諧腔以獲得最大的微波幅度。或者，在剖腹產或rubium時鐘中，梁或氣體吸收微波，腔含有電子放大器，使其振盪。對於兩種類型，氣體中的原子在將其填充到腔中之前以一種超細狀態製備。對於第二種類型，檢測到更改超細狀態的原子數量，並調整了腔體的最大檢測狀態變化。

時鐘的大部分複雜性在於此調整過程。調整試圖糾正不需要的副作用，例如其他電子過渡的頻率，溫度變化以及由分子振動引起的頻率傳播，包括多普勒拓寬.[33]一種方法是將微波振盪器的頻率掃描狹窄範圍，以在檢測器上生成調製信號。然後可以是檢測器的信號解調應用反饋以控制射頻的長期漂移。[34]通過這種方式，除少量的實驗誤差外，剖腹原子過渡頻率的量子力學特性可用於將微波振盪器調整為相同的頻率。首次打開時鐘時，振盪器需要一段時間才能穩定。實際上，反饋和監視機制要復雜得多。[35]

時鐘機制

一直保持設備的所有時間都使用振盪現象來準確測量時間，無論是地球的旋轉，是地球的旋轉，祖父時鐘中擺的搖擺，手錶中的彈簧和齒輪的振動，還是石英的電壓變化水晶手錶。但是，所有這些都很容易受到溫度變化的影響，並且不是很準確。最準確的時鐘使用原子振動來跟踪時間。時鐘性能中最重要的因素之一是原子線質量因子Q，該因子定義為絕對頻率的比率共鳴本身的線寬的共鳴。正如我們將看到的那樣，這種共振可以比最佳的機械系統高許多數量級的線QS，並且可以從環境效應中分離出更高的程度。原子鐘具有原子是通用的好處，這意味著振盪頻率也是通用的。這與沒有通用頻率的石英和機械時間測量設備不同。

時鐘的質量可以通過兩個參數來指定：不確定性和穩定性。不確定性是對時鐘的滴答速率保持恆定程度而不加速或放慢速度的程度的度量。穩定性是對平均測量值隨著時間的表現的測量。[36]

時鐘的不穩定性由等式指定：在哪裡是時鐘系統的光譜線寬，是單個測量中使用的原子或離子的數量，是一個週期所需的時間，是平均時期。這意味著當線寬時不穩定較小較小，什麼時候信號與噪聲比更大。穩定性隨著時間而改善在其上，測量的平均值從幾秒鐘到幾個小時增加到幾天。穩定性受振盪器頻率的影響最大。這就是為什麼光學時鐘（如鍶時鐘（429 Terahertz））比剖腹時鐘（9.19 Gigahertz）更準確的原因。

準確性

原子鐘的歷史準確性nist

自1950年代第一個原型以來，原子鐘的準確性不斷提高。第一代原子鐘基於測量剖腹產，rubium和氫原子。在1959年至1998年的一個時期內，NIST在該機構更名之後，開發了七個CAESIUM-133微波鐘，名為NBS-1至NBS-6和NIST-7。[2]第一個時鐘的精度10-11，最後一個時鐘的準確性10-15。時鐘是第一個使用銫噴泉的時鐘，這是由Jerrod Zacharias，以及原子的激光冷卻，這是由戴夫·溫德蘭（Dave Wineland）和他的同事在1978年。

原子鐘進步的下一步涉及10-15準確10-18乃至10-19[a]。目的是在時鐘變得如此準確時重新定義第二個，以至於它們不會在宇宙時代損失或增益超過一秒鐘。[b]為此，科學家必須證明使用鍶和ytterbium的時鐘的準確性光學晶格技術。

原子鐘的目標10-16首先在英國達到了準確性國家實驗室的NPL-CSF2銫噴泉鐘[38][39][40]和美國的nist-f2.[41][42]從NIST-F1到NIST-F2的精度提高是由於進步液氮原子的冷卻技術。[43]

評估了導致國際原子時間（TAI）的主要和次要頻率標準的性能。單個（主要是主要）時鐘的評估報告是在線發布由國際重量與措施局（BIPM）。

研究

基於鍶的光學時鐘

大多數研究都集中在使時鐘較小，便宜，更便攜，更節能，更高效，更大的目標上的相互衝突的目標上準確的，更穩定，更可靠。[44][45]空間（caces）中的冷原子時鐘實驗測試微重力條件下的地球軌道中的冷原子時鐘太空中的原子時鐘合奏是時鐘研究的例子。[46][47][48]

第二個的次要表示

自2006年以來，國際重量與措施局（BIPM）保留了第二個次要表示的頻率清單在線可用。該列表包含rubidium微波過渡的頻率值和相應的標準不確定性以及多個光學轉換。這些次級頻率標准在10級別是準確的-18;但是，列表中提供的不確定性在10範圍內-14– 10-15由於它們受到目前（2018年）定義第二個標準的鏈接的限制。[24]

類型工作頻率（赫茲）相對的艾倫偏差
（典型時鐘）		參考
133CS9.192631770×109根據定義10-13[49]
87RB6.834682610904324×10910-12[50]
1H1.4204057517667×10910-15[51][52]
光鐘（87Sr）4.292280042298734×101410-17[53]

二十一世紀提供了第二個基於非偏二級表示的實驗原子時鐘變得如此精確，以至於除了測量頻率和時間外，它們可能被用作極敏感的檢測器。例如，因重力，磁場，電場，力，運動，溫度和其他現象會稍微改變原子鐘的頻率。實驗時鐘往往會繼續改善，並且在各種類型的實驗鐘之間來回移動。[54][55][56][57]

量子時鐘

更多信息：量子時鐘

2008年3月，NIST的物理學家描述了量子邏輯時鐘基於個人離子的鈹和鋁。這個時鐘與Nist的汞離子時鐘。這些是構建的最準確的時鐘，在十億年內，時鐘都沒有獲得，也沒有以超過一秒鐘的速度損失時間。[58]2010年2月，NIST物理學家根據單個離子的單個離子描述了第二個增強版本的量子邏輯時鐘鎂和鋁。被認為是2010年世界上最精確的時鐘，其頻率不准確8.6×10-18，它提供了原始精度的兩倍以上。[59][60]2019年7月，NIST科學家證明了這樣的AL+量子邏輯時鐘，完全不確定性9.4×10-19，這是這樣的時鐘的首次演示，其不確定性低於10-18.[61][62][63]

自那以後，實驗量子鐘的準確性已被實驗取代光學晶格時鐘基於Strontium-87[64]和Ytterbium-171.[65]

核（光學）時鐘概念

主要文章：核鐘

提高原子鐘性能的一種理論可能性是使用核能量過渡（不同核異構體）而不是原子電子過渡哪個當前的原子鐘測量。大多數核過渡的運作頻率太高，無法衡量，但是在2003年，Ekkehard Peik和Christian Tamm[66]指出，異常低的激發能229m
Th
在當前頻率測量技術的範圍內，使時鐘成為可能。在2012年，有一個核鐘基於單個229
Th3+
離子可能會提供總體頻率不准確的1.5×10-19，這比現有的2019年原子鐘技術更好。[67]儘管它仍然是一個未實現的理論可能性，但截至2019年已經取得了實驗核鐘發展的重大進展。[68][69][70][71]

核能過渡提供了以下潛在優勢：[72]

  1. 較高的頻率。所有其他方面都是平等的，出於簡單的統計原因，高頻過渡提供了更大的穩定性（在更多的周期中平均波動）。
  2. 對環境影響不敏感。由於其尺寸很小和周圍電子的屏蔽效果，原子核對環境電磁場的敏感程度不如軌道中的電子。
  3. 更多的原子。由於上述對環境場的不敏感性，因此沒有必要在稀釋的氣體中及時分離原子。實際上，有可能利用Mössbauer效應並將原子放在固體中，這將使數十億個原子受到審查。

時鐘比較技術

2015年6月，英國特丁頓的歐洲國家物理實驗室（NPL）；法國時間空間參考系統在巴黎天文台（LNE-SYRTE）；德國人Braunschweig的德國國家計量學院（PTB）;都靈實驗室中的意大利伊斯蒂托爾·納齊奧萊（Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica（INRIM））已經開始測試，以將當前最新衛星比較的準確性提高10倍，但仍將僅限於一部分1。這4個歐洲實驗室正在開發和託管各種實驗性光學時鐘，這些時鐘可以利用不同的實驗設置中的不同元素，並希望將其光學時鐘相互作用並檢查它們是否同意。在下一個階段，這些實驗室努力通過光纖電纜在可見光譜中傳輸比較信號。這將使他們的實驗光鐘與與光學時鐘本身的預期精度相似的精度進行比較。其中一些實驗室已經建立了纖維光線鏈接，並且已經開始對巴黎和特丁頓之間的部分以及巴黎和Braunschweig進行測試。實驗光鐘之間的纖維光鏈路也存在於美國人之間nist實驗室及其合作夥伴實驗室吉拉， 同時在科羅拉多州博爾德但是，這些距離比歐洲網絡短得多，並且僅在兩個實驗室之間。 PTB的物理學家Fritz Riehle表示，“歐洲處於獨特的位置，因為它擁有世界上最好的時鐘密度”。[73]2016年8月，巴黎的法國LNE-SYRTE和BRAUNSCHWEIG的德國PTB報告了巴黎的兩個完全獨立的實驗性跨質晶格光學時鐘和Braunschweig的比較和一致。5×10-17通過使用1,415公里（879mi）電信纖維電纜。評估整個鏈接的分數不確定性為2.5×10-19，使更準確的時鐘進行比較。[74][75]在2021年，NIST比較了來自位於1.5的一系列實驗原子時鐘的傳播。公里（1mi）在NIST實驗室，其合作夥伴實驗室Jila和科羅拉多大學的科羅拉多大學，科羅拉多州的Boulder和Fiber Optic Claid8×10-18.[76][77]

光學時鐘

2009年5月 - 吉拉的鍶光原子時鐘基於中性原子。在光學陷阱測試中，將藍色激光照射到超聲盆地原子上，從而有多麼有效地從紅色激光器發出的光線使原子提高到激發態。只有那些保留在較低能量狀態的原子對藍色激光響應，從而導致此處看到的熒光。[78]

使用光學晶格中捕獲原子的想法激光是由俄羅斯物理學家弗拉迪倫·洛托科夫（Vladilen Letokhov）在1960年代提出的。[79]從微波作為原子“逃逸”的理論移動，以使時鐘到光範圍內點亮（更難測量但提供更好的性能）約翰·霍爾（John L. Hall）和TheodorW.Hänsch這諾貝爾物理獎2005年。2012年的物理諾貝特人之一，David J. Wineland，是利用在陷阱中固定的單個離子的性質來發展最高穩定性時鐘的先驅。[80]第一個光學時鐘於2000年在NIST開始，並於2006年完成。[81]

的發展飛秒頻率梳子，光學晶格導致了新一代的原子鐘。這些時鐘基於發出可見的原子過渡光代替微波。開發光學時鐘的主要障礙是直接測量光頻率的困難。通過自我引用的模式鎖定激光器的發展解決了這個問題，通常稱為飛秒頻率梳子。在2000年演示頻率梳子之前，Terahertz需要技術來彌合無線電和光學頻率之間的差距，並且這樣做的系統繁瑣且複雜。隨著頻率梳的完善，這些測量結果變得更加易於訪問，並且現在在世界範圍內開發了許多光學時鐘系統。[82]

與無線電範圍一樣，吸收光譜用於穩定振盪器，在這種情況下是激光。當光學頻率被分為可數的射頻時飛秒梳子， 這帶寬的相噪聲還除以該因素。儘管激光相噪聲的帶寬通常大於穩定的微波源，但在分裂之後，它的噪聲較小。[82]

在光頻率標準中使用的主要係統是：

  • 在離子陷阱中分離的單離子；
  • 中性原子被困在光學晶格中，[83][84]
  • 原子包裝在三維量子氣體光學晶格中。[85]

這些技術使原子或離子可以與外部擾動高度隔離，從而產生極其穩定的頻率參考。[85][86]激光和磁光陷阱用於冷卻原子以提高精度。[87]

正在考慮的原子系統包括al+，HG+/2+，[83]HG，Sr，Sr+/2+，在+/3+，毫克，CA，CA+，YB+/2+/3+，YB和Th+/3+.[88][89][90]時鐘的顏色電磁輻射取決於模擬的元素。例如，當產生紅光時，鈣光學時鐘會引起共鳴，並在紫羅蘭色的存在下產生YTTERBIUM時鐘。[91]

之一nist2013年的ytterbium光學晶格原子鐘

稀土元素ytterbium（YB）的重視不如其機械性能，而是其內部能級的補充。瑪麗安娜·薩弗羅諾娃（Marianna Safronova）表示：“在578 nm的波長中，YB原子中的特殊過渡目前提供了世界上最準確的光原子頻率標準之一。”[92]根據聯合量子研究所（JQI）的科學家的說法，到目前為止，估計的不確定性量對應於迄今為止宇宙一生中大約一秒鐘的YB時鐘不確定性。特拉華大學2012年12月。[93]

在2013年，光學晶格時鐘（OLC）被證明比銫噴泉時鐘一樣好或更好。兩個光學晶格鐘，包含10000原子的Strontium-87至少能夠精確地保持同步1.5×10-16，這與實驗可以測量一樣準確。[94]這些時鐘已被證明可以跟上所有三個剖腹產時鐘巴黎天文台。有兩個理由的原因有兩個。首先，使用光的頻率測量頻率，該光的頻率比微波爐高得多，其次，通過使用許多原子，將任何錯誤平均。[95]使用Ytterbium-171原子，穩定的新記錄，精確1.6×10-18在2013年8月22日發布了7小時的時間內。在這種穩定性下，兩個光學晶格時鐘彼此獨立使用。nist研究團隊的差異不到一秒鐘宇宙年齡（13.8×109年）；這是10倍比以前的實驗更好。時鐘依靠10 000 ytterbium原子冷卻10 microkelvin並被困在光學晶格中。激光578 nm激發其兩個能級之間的原子。[96]建立了時鐘的穩定性後，研究人員正在研究外部影響並評估其餘系統的不確定性，希望他們能使時鐘的準確性降低到其穩定性水平。[97]2014年自然論文中描述了改進的光學晶格時鐘。[98]2015年吉拉評估了A的絕對頻率不確定性Strontium-87光學晶格時鐘2.1×10-18，對應於可測量的重力時間擴張根據Jila/Nist研究員的說法，在地球上的高程變化為2厘米（0.79英寸）約翰“真的很接近對相對論的有用地球”。[99][100][101]在這種頻率不確定性下，這種JILA光學晶格時鐘預計不會在超過150億年內損失。[102][103]

吉拉（Jila）的2017年三維（3-D）量子氣體原子時鐘由三對激光束形成的光網格組成。兩張桌子用於配置真空室周圍的光學組件。這裡顯示的是上桌子，在該桌子上安裝了鏡頭和其他光學元件。藍色激光束激發了位於桌子中間圓窗後面的斜紋原子的立方體雲。當用藍光激發時，鍶原子強烈熒光。

2017年，吉拉（Jila）報導了一個實驗性3D量子氣盆晶格時鐘，其中鍶87原子以比以前一維（1-D）時鐘的密度為1,000倍的微小的三維（3-D）立方體包裝成一個微小的三維（3-D）立方體。例如2015年的吉拉時鐘。 3D晶格的兩個區域之間的同步時鐘比較產生了創紀錄的同步水平5×10-19在平均時間的1小時內。[104]3D量子氣鍶光學晶格的核心是一種不尋常的物質狀態退化費米氣體（費米顆粒的量子氣）。實驗數據顯示3D量子氣時鐘達到了3.5×10-19大約兩個小時。根據Jun Ye的說法，“這對任何以前的示威都有重大改進。”你們進一步評論說：“ 3D量子氣時鐘的最重要潛力是能夠擴大原子數的能力，這將導致穩定性的巨大增長。” “擴大原子數和連貫性時間的能力將使這一新的時鐘在質量上與上一代不同。”[105][106][107]2018年，吉拉（Jila）報告了3D量子氣時鐘達到了頻率精度2.5×10-19超過6個小時。[108][109]在這種頻率不確定性下，這個3D量子氣時鐘將在宇宙年齡段損失或增益約0.1秒。[110]最近證明，量子糾纏可以幫助進一步增強時鐘穩定性。[111]在2020年，研究了光學時鐘，用於空間應用，例如後代全球導航衛星系統（GNSSS）作為基於微波爐的鐘。[112]

2022年2月，威斯康星大學麥迪遜分校的科學家報導了一個“多重”光原子時鐘，在該時鐘中，單個時鐘相互偏離，準確性等於在3000億年內失去第二個。報導的小偏差是解釋的，因為相關的時鍾振盪器處於略有不同的環境中。這些導致對重力，磁場或其他條件的反應不同。這個微型時鐘網絡批准是新穎的，因為它使用了鍶原子的光學晶格和六個時鐘的配置，可用於證明相對穩定性，時鐘之間的分數不確定性和超高度優先比較的方法之間的分數不確定性位於計量設施中的靠近。[37][113]

目前（2022年）仍主要是研究項目，比rubidium和Cesium Microwave標準不太成熟，這些標准定期將時間帶到國際重量和措施（BIPM）建立國際原子時間（TAI）.[114]隨著光學實驗時鐘在精確性和穩定性性能方面超越其微波爐，這使它們能夠替代當前時間標準的銫噴泉時鐘。[83][115]將來，這可能會導致重新定義基於Cesium Microwave的SI第二和其他新的傳播技術，並以最高級別的轉移時鐘信號的最高級別進行轉移，可以在較短範圍和較短範圍（頻率）比較中使用，以進行傳輸時鐘信號。更好的時鐘並探索其基本限制，而不會顯著損害其性能。[83][116][117][118][119]BIPM在2021年12月報告的基於對TAI的光學標準的進度（CCTF）促成TAI的進度（CCTF）開始工作，以重新定義2030年代預期的第二次預期。[120]

重新定義第二個

在2022年，第二個最佳實現是通過剖宮產的主要標準時鐘完成的，例如IT-CSF2，NIST-F2，NPL-CSF2，PTB-CSF2，SU – CSFO2或SYRTE-FO2。這些時鐘通過激光冷卻CS原子的雲到磁磁陷阱中的微膠菌來起作用。然後，這些冷原子通過激光燈垂直發射。然後，原子在微波腔中經歷拉姆西激發。然後，激光束檢測到激發原子的比例。這些時鐘有5×10-16系統的不確定性，相當於每天50秒。全世界幾個噴泉的系統有助於國際原子時間。這些銫時鐘還基於光學頻率測量。

光鐘的優勢可以通過不穩定的陳述來解釋，其中f是頻率，是不穩定性，而且s/n是信噪比。這導致方程式.

光學時鐘基於離子或原子中禁止的光學轉變。他們周圍有頻率1015赫茲，具有自然的線寬通常為1 Hz，因此Q因子大約1015，甚至更高。它們的穩定性比微波鐘更好，這意味著它們可以促進評估較低的不確定性。他們也有更好的時間分辨率，這意味著時鐘“滴答”速度更快。[121]光學時鐘使用單個離子或光學晶格和104–106原子。

Rydberg常數

基於Rydberg常數將涉及將值固定為某個值：。 Rydberg常數描述了具有非依賴性近似的氫原子中的能級.

固定Rydberg常數的唯一可行方法涉及捕獲和冷卻氫。不幸的是，這很困難，因為它非常輕，原子移動非常快，導致多普勒的變化。冷卻氫所需的輻射 - 121.5 nm - 也很困難。另一個障礙涉及改善QED計算中的不確定性。[122]

要求

重新定義必須包括提高的光學時鐘可靠性。在BIPM確認重新定義之前，必須由光學時鐘貢獻TAI。在重新定義第二個之前必須開發一種一致的發送信號的方法，例如光纖。[122]

申請

原子鐘的發展導致許多科學和技術進步，例如精確的全球和區域系統導航衛星系統，以及在互聯網，這取決於頻率和時間標準。原子鐘安裝在時間信號無線電發射器。[123]它們在某些長波和中波廣播站使用，以提供非常精確的載體頻率。[124]原子鐘用於許多科學學科，例如長基線干涉法在射電天文學.[125]

全球導航衛星系統

這全球定位系統（GPS）由美國太空軍提供非常準確的時機和頻率信號。 GPS接收器通過測量至少四個但通常更多的GPS衛星的信號的相對時間延遲來工作，每個衛星至少具有兩個板載剖宮室和多達兩個Rubidium原子鐘。相對時間在數學上轉化為三個絕對空間坐標和一個絕對時間坐標。[126]GPS時間（GPST）是連續的時間尺度，理論上準確至約14納秒.[127]但是，大多數接收器在解釋信號時會失去準確性，並且僅準確至100納秒。[128][129]GPST與TAI（國際原子時間）和UTC（協調的通用時間）有關，但與TAI有關。 GPST與TAI（TAI - GPST = 19秒）保持不變，並且像Tai不會實現LEAP秒。對衛星的板載時鐘進行定期校正，以使其與地面時鐘同步。[130][131]GPS導航消息包括GPST和UTC之間的區別。截至2015年7月，GPST比UTC領先17秒，因為2015年6月30日將LEAP添加到UTC。[132][133]接收器從GPS時間減去此偏移以計算UTC和特定時區值。

這全球導航衛星系統（glonass）由俄羅斯航空航天國防軍提供了全球定位系統（GPS）系統的替代方案，是第二個正在運行的導航系統，具有全球覆蓋範圍和可比的精度。 Glonass Time（GlonAsst）由Glonass Central Synchroniser產生，通常比1,000納秒更好。[134]與GPS不同，GLONASS時間量表像UTC一樣實現LEAP秒。[135]

ESA Galileo衛星中使用的空間被動氫Maser用作車載正時系統的主時鐘

這伽利略全球導航衛星系統由歐洲GNSS機構和歐洲航天局。伽利略（Galileo）於2016年12月15日開始提供全球早期運營能力（EOC），提供了第三和第一個非軍事操作的全球導航衛星系統。[136][137]伽利略系統時間（GST）是一個連續的時間尺度，它是根據不同原子鐘的平均值在意大利富西諾的伽利略控制中心在地面上生成的，並由伽利略中央段維護並與並同步TAI的名義偏移量低於50納秒。[138][139][140][137]根據歐洲GNSS機構的說法，伽利略提供了30納秒的時機準確性。[141]歐洲GNSS服務中心的2018年3月季度績效報告報告說，UTC時間傳播服務精度≤7.6納秒，通過在過去的12個月內積累樣品並超過≤30ns目標來計算。[142][143]每個伽利略衛星都有兩個被動氫mas和兩個銣原子鐘用於車載正時。[144][145]伽利略導航消息包括GST，UTC和GPST之間的差異（以促進互操作性）。[146][147]在2021年夏天，歐盟定居於第二代伽利略衛星的被動氫mas，從2023年開始，預計每顆衛星的壽命為12年。 Masers長約2英尺，重40磅。[148]

這beidou-2/beidou-3衛星導航系統由中國國家太空管理。 Beidou Time（BDT）是一個連續的時間尺度，從2006年1月1日在0:00:00 UTC開始，並與100 ns之內的UTC同步。[149][150]Beidou於2011年12月在中國運營，使用了10顆衛星[151]並開始向客戶提供服務亞太2012年12月的地區。[152]2018年12月27日，Beidou Navigation Satellite系統開始提供全球服務的時間準確性為20 ns。[153]2020年6月23日，第35顆和最後的Beidou-3衛星用於全球覆蓋範圍。[154]

實驗空間時鐘

2015年4月，美國宇航局宣布計劃部署深空原子鐘（DSAC），一種微型的超專業汞原子鐘，進入外太空。美國宇航局說，DSAC比其他導航時鐘要穩定得多。[155]該時鐘於2019年6月25日成功推出[156]並於2019年8月23日激活[157]並於兩年後的2021年9月18日停用。[158]

軍事用途

在2022年，達帕當傳感器無法使用GPS衛星時，宣布升級到美國軍事計時系統的升級，以提高精度1012。強大的光鐘網絡將在4年內開發的可用性和準確性平衡。[159][160]

時間信號無線電發射器

主要文章：無線電時鐘

一個無線電時鐘是一個時鐘，通過收到的無線電時間信號自動同步自身無線電接收器。一些製造商可以將無線電時鐘標記為原子鐘[161]因為他們收到的無線電信號起源於原子鐘。依賴幅度調節時間信號的正常低成本消費級接收器的實際精度不確定性為±0.1秒。這對於許多消費者應用就足夠了。[161]儀器等級的接收器提供更高的準確性。這樣的設備產生了大約1個傳播延遲小姐每300公里（186英里）距離無線電發射器。許多政府為時間維持目的運營發射機。[162]

一般相對論

一般相對性預測，在重力場中時鐘較慢。原子鐘在測試中有效一般相對論在越來越小的尺度上。一個項目從1999年11月11日至2014年10月觀察12個原子鐘的項目進一步證明了愛因斯坦的一般相對論理論在小規模上是準確的。[163]2021年，一支科學家團隊吉拉測量了由於重力紅移在兩層原子之間用1毫米分離的原子，使用鍶光學時鐘冷卻至100納米克文，精確的精度7.6×10-21秒。[164][165]原子鐘也可以用來查看時間如何同時受到一般相對論和量子力學的影響。[166]

金融系統

原子鐘將買賣雙方之間的交易準確記錄到毫秒或更高，尤其是在高頻交易.[167][168]除了確保全球另一端的交易者公平性外，還需要準確的計時來防止非法交易。當前的系統稱為NTP僅準確到毫秒。[169]

也可以看看

解釋性說明

  1. ^研究人員威斯康星大學麥迪遜分校已經證明了一個時鐘不會在3000億年內損失第二個時鐘。[37]
  2. ^138億年中的一秒鐘，宇宙的年齡是準確的2.3×10-18.

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