DOI: https://doi.org/10.1364/optica.561754
تاريخ النشر: 2025-05-12
المؤلف: thomas lindvall وآخرون
الموضوع الرئيسي: المعايير المتقدمة للتردد والوقت
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة أكبر مقارنة منسقة للساعات الضوئية حتى الآن، حيث تشمل قياسات نسبة التردد المتزامنة من عشرة ساعات ضوئية عبر ست دول، باستخدام روابط الألياف والأقمار الصناعية. تم الإبلاغ عن إجمالي 38 نسبة تردد ضوئية، بما في ذلك أربع قياسات مباشرة للمرة الأولى: \( \text{Yb}^+(\text{E3})/\text{Yb} \)، \( \text{In}^+/\text{Yb} \)، \( \text{Sr}^+/\text{Sr} \)، و \( \text{Sr}^+/\text{Yb} \). حققت الحملة عدم يقين إجمالي غير مسبوق أقل من \( 1.8 \times 10^{-16} \) لعدة نسب لنظام تحديد المواقع العالمي (GNSS)، مما يحسن بشكل كبير من القياسات السابقة ويدعم إمكانية إعادة تعريف الثانية في النظام الدولي للوحدات (SI) بناءً على المعايير الضوئية.
كما قامت الدراسة بتقييم معاملات الارتباط بين نسب التردد المقاسة، كاشفة عن 242 ارتباط غير صفري، مع تجاوز 155 منها قيمة مطلقة قدرها 0.1. ومن الجدير بالذكر أنه تم تحديد تناقضات في بعض نسب التردد، مما يشير إلى احتمالية وجود انحرافات في القياسات، لا سيما في INRIM و PTB، والتي قد تؤثر على موثوقية القيم المرجعية. تؤكد النتائج على أهمية الحملات القياسية المستمرة لتوضيح هذه الغموضات وتعزيز دقة معايير الساعات الضوئية، مما يساهم في النهاية في التقدم في القياس والفيزياء الأساسية. بالإضافة إلى ذلك، أبلغت الساعات عن عدم يقين منهجي متغير مع الزمن، حيث تراوح ساعة Yb في INRIM من \( 2 \times 10^{-17} \) إلى \( 2.8 \times 10^{-17} \) وساعة Sr في PTB من \( 2.7 \times 10^{-18} \) إلى \( 1.4 \times 10^{-17} \).
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على أهمية الساعات الذرية الضوئية، التي تتمتع بعدم يقين قياسي عند الرقمين 17 و18، مما يجعلها أدوات استثنائية لاستكشاف الفيزياء الأساسية، بما في ذلك النسبية العامة والبحث عن المادة المظلمة. هذه الساعات هي أيضًا مرشحة محتملة لإعادة تعريف الثانية في النظام الدولي للوحدات (SI)، بهدف استبدال المعايير القائمة على السيزيوم الأقل دقة المستخدمة حاليًا. على الرغم من وجود العديد من الساعات الضوئية في جميع أنحاء العالم، فإن مقارنتها غالبًا ما تعتمد على تقنيات الأقمار الصناعية التي تقدم عدم يقين كبير. بالمقابل، أظهرت توزيع التردد عبر الألياف الضوئية عدم يقين أقل، ومع ذلك كانت المقارنات الشاملة التي تشمل ساعات متعددة محدودة.
تقدم الورقة أكبر مقارنة دولية منسقة للساعات الضوئية حتى الآن، حيث تشمل عشرة ساعات عبر ست دول، باستخدام كل من الألياف الضوئية وروابط الأقمار الصناعية. تهدف هذه الحملة إلى تعزيز فهم نسب التردد الضوئية وارتباطاتها، والتي تعتبر حاسمة للتحقق من ميزانيات عدم اليقين لمعايير التردد الضوئي. من المتوقع أن تسهم النتائج من هذه المقارنة الشاملة بشكل كبير في جهود المجتمع الدولي للقياس لإعادة تعريف الثانية في النظام الدولي للوحدات بحلول عام 2030، مما يوفر مجموعات بيانات أساسية لكل من اختبارات الفيزياء الأساسية وتأسيس قيم موصى بها للترددات القياسية.
نقاش
تستعرض قسم النقاش في الورقة النتائج والمنهجيات لمقارنة دولية منسقة للساعات الضوئية التي أجريت على مدى 45 يومًا في عام 2022، شملت عدة دول أوروبية واليابان. ركزت الدراسة على عشرة ساعات ضوئية، محققة عدم يقين منهجي منخفض يصل إلى $u_B \sim 10^{-18}$. تمت مقارنة الساعات باستخدام روابط الألياف الضوئية المحلية والدولية، والتي كانت حاسمة لتقليل عدم اليقين في القياسات. في الحالات التي كانت فيها روابط الألياف غير متاحة، تم استخدام تحديد المواقع الدقيقة بالعدد الصحيح (IPPP). سهلت شبكة الألياف الضوئية مقارنات طويلة المدى غير مسبوقة، لا سيما رابط بطول 2370 كم بين PTB و INRIM.
تشمل النتائج، المقدمة في الجدول 2، نسب التردد المستمدة من كل من روابط الألياف وروابط GNSS. بينما أظهرت بعض النسب توافقًا جيدًا، تم ملاحظة تناقضات، لا سيما مع ساعة Yb في INRIM، مما يشير إلى مشكلات محتملة في توزيع الإشارة. تؤكد الورقة على أهمية الحملات القياسية المنسقة لتحديد وحل التناقضات. بالإضافة إلى ذلك، كشفت تحليل المقارنات ذات الانتقال الواحد والمختلف عن رؤى مهمة حول أداء الساعات، حيث انحرفت بعض النسب عن القيم المتوقعة، مما يشير إلى أخطاء منهجية محتملة في ساعات معينة. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من القياسات لتحسين القيم المرجعية وزيادة دقة مقارنات الساعات الضوئية.
DOI: https://doi.org/10.1364/optica.561754
Publication Date: 2025-05-12
Author(s): thomas lindvall et al.
Primary Topic: Advanced Frequency and Time Standards
Overview
This research presents the largest coordinated comparison of optical clocks to date, involving simultaneous frequency ratio measurements from ten optical clocks across six countries, utilizing fiber and satellite links. A total of 38 optical frequency ratios were reported, including four direct measurements for the first time: \( \text{Yb}^+(\text{E3})/\text{Yb} \), \( \text{In}^+/\text{Yb} \), \( \text{Sr}^+/\text{Sr} \), and \( \text{Sr}^+/\text{Yb} \). The campaign achieved unprecedented total uncertainties below \( 1.8 \times 10^{-16} \) for several Global Navigation Satellite System (GNSS) ratios, significantly improving upon previous measurements and supporting the potential redefinition of the SI second based on optical standards.
The study also evaluated correlation coefficients among the measured frequency ratios, revealing 242 non-zero correlations, with 155 exceeding an absolute value of 0.1. Notably, discrepancies were identified in some frequency ratios, suggesting potential offsets in the measurements, particularly at INRIM and PTB, which may affect the reliability of reference values. The findings underscore the importance of continued measurement campaigns to clarify these ambiguities and enhance the accuracy of optical clock standards, ultimately contributing to advancements in metrology and fundamental physics. Additionally, the clocks reported time-varying systematic uncertainties, with the INRIM Yb clock ranging from \( 2 \times 10^{-17} \) to \( 2.8 \times 10^{-17} \) and the PTB Sr clock from \( 2.7 \times 10^{-18} \) to \( 1.4 \times 10^{-17} \).
Introduction
The introduction highlights the significance of optical atomic clocks, which boast measurement uncertainties at the 17th and 18th digits, making them exceptional tools for exploring fundamental physics, including general relativity and dark matter searches. These clocks are also potential candidates for redefining the second in the International System of Units (SI), aiming to replace the less accurate cesium-based standards currently in use. While numerous optical clocks exist globally, their comparisons often rely on satellite techniques that introduce substantial uncertainties. In contrast, frequency distribution via optical fibers has demonstrated lower uncertainties, yet comprehensive comparisons involving multiple clocks have been limited.
The paper reports on the largest coordinated international comparison of optical clocks to date, involving ten clocks across six countries, utilizing both optical fiber and satellite links. This campaign aims to enhance the understanding of optical frequency ratios and their correlations, which are crucial for validating the uncertainty budgets of optical frequency standards. The results from this extensive comparison are expected to contribute significantly to the international metrology community’s efforts to redefine the SI second by 2030, providing essential datasets for both fundamental physics tests and the establishment of recommended values for standard frequencies.
Discussion
The discussion section of the paper outlines the results and methodologies of a coordinated international comparison of optical clocks conducted over 45 days in 2022, involving multiple European countries and Japan. The study focused on ten optical clocks, achieving systematic uncertainties as low as $u_B \sim 10^{-18}$. The clocks were compared using both local and international optical fiber links, which were crucial for minimizing measurement uncertainties. For instances where fiber links were unavailable, Integer Precise Point Positioning (IPPP) was employed. The optical fiber network facilitated unprecedented long-distance comparisons, notably a 2370 km link between PTB and INRIM.
The results, presented in Table 2, include frequency ratios derived from both fiber and GNSS links. While some ratios showed good agreement, discrepancies were noted, particularly with the INRIM Yb clock, suggesting potential issues with signal distribution. The paper emphasizes the importance of coordinated measurement campaigns to identify and resolve inconsistencies. Additionally, the analysis of same-transition and different-transition comparisons revealed significant insights into clock performance, with some ratios deviating from expected values, indicating potential systematic errors in specific clocks. Overall, the findings underscore the need for further measurements to refine reference values and improve the accuracy of optical clock comparisons.