International Optical Clock Comparison Using the European Optical Fiber Network

Dit artikel rapporteert een succesvolle twee maanden durende internationale vergelijking van zeven optische klokken via een vezelnetwerk tussen vier Europese metrologie-instituten, waarbij frequentieverhoudingsonzekerheden tot wel $7.7\times10^{-18}$ werden bereikt en cruciale gegevens werden verschaft voor de toekomstige herdefinitie van de SI-seconde.

De kern

Stel je voor dat je de meest perfecte horloges ter wereld hebt. Dit zijn geen standaard polshorloges; het zijn optische klokken die zo nauwkeurig tikken dat ze over de gehele leeftijd van het universum slechts één seconde voor of achter zouden lopen. Wetenschappers hebben deze ongelooflijke tijdwaarnemers in verschillende landen gebouwd, maar lang konden ze niet zeker weten of het horloge in Italië precies even snel tikte als dat in Duitsland of het VK.

Dit artikel is als een rapportkaart voor een enorme, twee maanden durende "tijdwaarnemingsolympiade" die begin 2023 werd gehouden. Hier is wat er gebeurde, eenvoudig uitgelegd:

De Opzet: Een Hoogsnelheidsnetwerk voor Tijdreizen

Normaal gesproken gebruiken wetenschappers satellieten (zoals GPS) om twee horloges in verschillende landen te vergelijken. Maar satellieten zijn een beetje als proberen twee horloges te vergelijken door over een winderige canyon te schreeuwen; het signaal wordt een beetje wazig en de vergelijking is niet perfect.

In plaats daarvan gebruikten deze wetenschappers een gigantisch, superstabiel glasvezelkabelnetwerk dat zich over Europa uitstrekt. Denk aan dit netwerk als een "superhighway" voor licht. Ze verbonden vier grote metrologielaboratoria (in Italië, Frankrijk, Duitsland en het VK) met deze kabels. Dit stelde hen in staat om de "tik" van de ene klok direct naar de andere te sturen, zonder de wazigheid van satellieten.

De Deelnemers: Zeven Verschillende Klokken

Zeven verschillende klokken namen deel aan de race. Ze waren niet allemaal op dezelfde manier gemaakt:

• Sommigen gebruikten Ytterbium (een metaal) vastgehouden als een enkel ion (zoals een tiny, drijvende marmer).
• Sommigen gebruikten Strontium of Kwik atomen vastgehouden in een "rooster" (zoals een honingraat gemaakt van licht).
• Ze werkten op verschillende soorten "overgangen" (manieren waarop atomen energieniveaus overschakelen), wat vergelijkbaar is met verschillende horlogemerken die verschillende interne tandwielen gebruiken.

De Grote Prestatie: De "Tweeling"-Controle

Het meest opwindende resultaat kwam voort uit de vergelijking van twee klokken die onafhankelijk van elkaar in twee verschillende landen waren gebouwd (één in het VK, één in Duitsland). Beide waren Ytterbium-ionklokken die gebruikmaakten van een specifieke, zeer complexe tiksoort (de "E3"-overgang genoemd).

• Het Resultaat: Ze waren perfect met elkaar in overeenstemming, binnen een tiny foutmarge (minder dan 1 op 100 quadriljoen).
• De Analogie: Stel je twee meesterhorlogemakers voor in verschillende steden die een klok van scratch bouwen. Ze sturen hun klokken naar een neutrale locatie. Wanneer ze ze vergelijken, staan de wijzers op exact dezelfde positie, tot op een fractie van een haarbreedte. Dit was de eerste keer dat twee onafhankelijk gebouwde optische klokken uit verschillende landen op dit niveau van precisie bewezen werden te overeenstemmen.

De Kwikklok: Een Nieuwe Kampioen

De klok in Frankrijk, die Kwik gebruikt, was ook een sterrenspeler. Deze werd vergeleken met alle andere klokken in het netwerk. De resultaten toonden aan dat de Kwikklok ongelooflijk stabiel en betrouwbaar is, en nieuwe, zeer nauwkeurige metingen leverde van hoe zijn "tik" zich verhoudt tot de Ytterbium- en Strontiumklokken.

Waarom Dit Belangrijk Is (Volgens het Artikel)

Het artikel legt uit dat de wereld momenteel probeert de "seconde" te herdefiniëren. Op dit moment wordt de seconde gedefinieerd door microgolfklokken (de oude standaard). Wetenschappers willen overstappen naar deze nieuwe, supernauwkeurige optische klokken.

Echter, voordat je de definitie van een seconde kunt veranderen, moet je bewijzen dat elke optische klok ter wereld het eens is over wat een seconde is. Als de klok in Parijs zegt dat "één seconde" iets anders is dan de klok in Londen, kun je de regel niet veranderen.

Dit experiment bewees dat:

1. Het Netwerk Werkt: De glasvezelkabels zijn zo goed dat ze de vergelijking niet verstoren. Ze zijn voor de meting in feite onzichtbaar.
2. De Klokken Stemmen Overeen: Verschillende soorten optische klokken, gebouwd door verschillende teams in verschillende landen, geven allemaal met ongelooflijke nauwkeurigheid dezelfde tijd aan.

De "Glitch" in het Systeem

Het artikel noemt ook één klok (een Strontiumklok in Duitsland) die een "ziekte" had. Deze werd beïnvloed door een laserprobleem dat zijn tijd iets verschuofte. De wetenschappers konden dit achteraf niet herstellen, dus namen ze de uiteindelijke cijfers niet op in de hoofdresultaten. Ze gebruikten deze klok echter wel om te controleren hoe stabiel de andere klokken waren, want zelfs met zijn ziekte was hij op de korte termijn zeer constant.

De Conclusie

Dit artikel is een overwinningsronde voor internationale wetenschap. Het laat zien dat we een "web van tijd" over Europa hebben gebouwd dat zo nauwkeurig is dat we eindelijk kunnen vertrouwen dat onze beste klokken allemaal gesynchroniseerd zijn. Dit is een cruciale stap richting het updaten van de officiële definitie van de tijd zelf, zodat de "seconde" die we morgen gebruiken net zo perfect is als de klokken die we vandaag hebben gebouwd.

Technische samenvatting

1. Probleemstelling

Optische klokken hebben fractionele frequentieonzekerheden bereikt op het niveau van $10^{-18}$ en lager, waardoor ze superieur zijn aan de huidige op microgolven gebaseerde SI-seconde-definities. Een kritieke knelpunt blijft echter bestaan: het verifiëren van de internationale consistentie van deze klokken.

• De Uitdaging: Hoewel intra-laboratoriumvergelijkingen routine zijn, is het vergelijken van onafhankelijke optische klokken in verschillende landen moeilijk. Dit vereist betrouwbare glasvezelverbindingen over lange afstanden, gesynchroniseerde werking van meerdere complexe systemen en de coördinatie van systematische onzekerheidsbudgetten.
• Het Doel: Om de herdefinitie van de SI-seconde op basis van optische overgangen te valideren, moet de wetenschappelijke gemeenschap aantonen dat onafhankelijk ontwikkelde optische klokken (met verschillende atoomsoorten en technologieën) over internationale grenzen heen overeenstemmen op het niveau van $10^{-18}$.

2. Methodologie

De auteurs hebben een tweemaandelijkse internationale klokvergelijkingscampagne uitgevoerd (24 februari – 1 mei 2023) met vier Nationale Metrologie-Instituten (NMIs) in Europa:

• Instituten: INRIM (Italië), LNE-OP (voorheen LNE-SYRTE, Frankrijk), NPL (VK) en PTB (Duitsland).
• Infrastructuur: De vergelijking maakte gebruik van het Europese fase-gestabiliseerde optische glasvezelnetwerk (REFIMEVE), dat de volgende verbindingen realiseerde:
  • LNE-OP naar NPL (785 km)
  • LNE-OP naar PTB (1370 km)
  • LNE-OP naar INRIM (1023 km)
• Betrokken Klokken (Totaal 7):
  • Frankrijk (LNE-OP): $^{199}\text{Hg}$ optisch roosterklok (SYRTE-Hg).
  • VK (NPL): $^{171}\text{Yb}^+$ ionklok (E3-overgang) en $^{87}\text{Sr}$ optisch roosterklok.
  • Duitsland (PTB): Twee $^{171}\text{Yb}^+$ ionklokken (E3- en E2-overgangen) en één $^{87}\text{Sr}$ optisch roosterklok.
  • Italië (INRIM): $^{171}\text{Yb}$ optisch roosterklok.
• Data-analyse:
  • Frequentieverhoudingen werden berekend door de optische frequenties van de klokken via de glasvezelverbindingen te vergelijken.
  • Statistische onzekerheden werden geëvalueerd met behulp van dagelijkse bins en opgeblazen met de Birge-ratio als de dagelijkse spreiding de verwachtingen overschreed (wat wijst op excessieve ruis).
  • Systematische onzekerheden omvatten bijdragen van het fysica-pakket van elke klok, statistische ruis en correcties voor relativistische roodverschuiving.
  • Correlatiecoëfficiënten werden berekend voor alle meetparen om rekening te houden met gedeelde systematische fouten (bijv. gemeenschappelijke referentieklokken).

3. Belangrijkste Bijdragen

• Eerste Sub-$10^{-17}$ Internationale Verificatie: De campagne realiseerde de eerste internationale vergelijking van twee onafhankelijk ontwikkelde optische klokken ($^{171}\text{Yb}^+$ E3) met een onzekerheid onder de $1 \times 10^{-17}$.
• Integratie van Groot Schaal Netwerk: Met succes gecoördineerde gelijktijdige werking van 7 verschillende optische klokken in 4 landen gedurende 65 dagen, wat de volwassenheid van het Europese glasvezelnetwerk voor metrologie aantoont.
• Nieuwe Frequentieverhoudingen: Leverde de eerste directe internationale metingen van frequentieverhoudingen die de $^{199}\text{Hg}$-klok betreffen ten opzichte van $^{171}\text{Yb}^+$- en $^{87}\text{Sr}$-klokken.
• Dataduidelijkheid: Een uitgebreide dataset vrijgegeven met inbegrip van 11 frequentieverhoudingen, correlatiematrixen en instabiliteitsdata, dienend als benchmark voor toekomstige inspanningen voor SI-herdefinitie.

4. Belangrijkste Resultaten

• Overeenkomst $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) (NPL vs. PTB):
  • De twee $^{171}\text{Yb}^+$-klokken die werkten op de elektrische octupool (E3)-overgang kwamen overeen binnen een onzekerheid van $7.7 \times 10^{-18}$.
  • Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de vorige op GNSS gebaseerde vergelijking (ROCIT 2022), die een onzekerheid had van $2.8 \times 10^{-16}$.
  • Dit resultaat bevestigt de consistentie van onafhankelijk gebouwde ionklokken op het niveau van $10^{-18}$.
• Prestaties $^{199}\text{Hg}$-klok:
  • De LNE-OP $^{199}\text{Hg}$-klok werd vergeleken met $^{171}\text{Yb}^+$ (E3), $^{171}\text{Yb}$ en $^{87}\text{Sr}$-klokken.
  • Resultaten toonden overeenstemming met referentiewaarden (afgeleid van een least-squares-aanpassing uit 2021) op het niveau van $10^{-17}$.
  • De campagne leverde nieuwe, lagere-onzekerheid directe metingen op voor de $^{199}\text{Hg}/^{171}\text{Yb}^+$- en $^{199}\text{Hg}/^{87}\text{Sr}$-verhoudingen.
• Consistentie $^{171}\text{Yb}$-roosterklok:
  • De INRIM $^{171}\text{Yb}$-roosterklok kwam overeen met de PTB $^{171}\text{Yb}^+$ (E3)-klok binnen $2.2 \times 10^{-17}$, wat de reproduceerbaarheid bevestigt met de ROCIT-campagne uit 2022.
• Anomalieën en Inconsistenties:
  • PTB-Sr3: Deze klok vertoonde een frequentieverplaatsing (waarschijnlijk door de kloklaser) die niet retrospectief kon worden gecorrigeerd. Bijgevolg werden de absolute frequentieverhoudingen niet gerapporteerd, hoewel de instabiliteitsdata werd gebruikt om de korte-termijnprestaties van het netwerk te beoordelen.
  • $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ Discrepantie: Een $4\sigma$ discrepantie werd waargenomen tussen de INRIM/NPL $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$-verhouding en eerdere metingen door de BACON-samenwerking (NIST/JILA), hoewel deze overeenkomt met RIKEN en nieuwere BACON-gegevens. Dit benadrukt aanhoudende uitdagingen in de consistentie van verhoudingen tussen verschillende atoomsoorten.

5. Betekenis

• Pad naar SI-Herdefinitie: Deze resultaten zijn een cruciale stap naar de herdefinitie van de SI-seconde. Ze tonen aan dat de internationale metrologiegemeenschap optische klokken over grenzen heen betrouwbaar kan vergelijken met onzekerheden die de $10^{-18}$ benaderen, een vereiste voor het aannemen van een optische overgang als nieuwe tijdstandaard.
• Volwassenheid Glasvezelnetwerk: De studie bewijst dat het Europese optische glasvezelnetwerk een robuuste, hoog-beschikbaarheidsinfrastructuur is die complex, multi-knooppunt metrologiecampagnes kan ondersteunen met verwaarloosbare door de link geïnduceerde onzekerheid.
• Buiten Metrologie: De hier gedemonstreerde technologie ondersteunt bredere wetenschappelijke toepassingen, waaronder:
  • Geodesie: Chronometrisch nivelleren voor het meten van geopotentiële verschillen.
  • Fundamentele Fysica: Testen van de Algemene Relativiteitstheorie, zoeken naar donkere materie en het detecteren van variaties in fundamentele constanten.
  • Kwantumcommunicatie: Het mogelijk maken van lange-afstand quantum key distribution en frequentiedistributie naar radiotelescopen.

Concluderend vertegenwoordigt dit artikel een mijlpaal in de wereldwijde metrologie, waarbij de haalbaarheid van een toekomstige "optische seconde" wordt gevalideerd door aan te tonen dat onafhankelijke optische klokken internationaal kunnen worden vergeleken met ongekende precisie.