Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days

完美滴答声的竞赛

想象时间是一条河流。几个世纪以来，我们一直使用一种简单、可靠但略显摇晃的木筏来测量它的流速：即基于微波信号（类似于你 GPS 中的信号）的原子钟。这些时钟表现不错，但它们的稳定性是有极限的。最近，科学家们制造出了使用光而非微波的“光学”时钟。这些新时钟就像高速赛艇；它们极其快速且精准，滴答跳动的频率比旧式时钟高出数十万倍。然而，这里有一个难点。为了维持一个完美的计时尺度（例如全球官方时间），你需要一个“飞轮”——一个稳定的引擎，即使在“方向盘”（超精密时钟）停下来充电或校准时，也能让船平稳行驶。

目前，我们拥有的最好的飞轮仍然是旧式的微波木筏（氢原子钟）。它们很坚固，但在短期内波动较大。这意味着，即使你拥有超级精准的光学时ков，你也无法充分发挥其效能，因为旧的飞轮会拖累整个系统，产生一个掩盖了时钟真实完美度的“噪声底限”。时钟领域的一个重大问题是：我们能否制造出一种由光本身构成的全新飞轮？如果我们能做到，我们就能创造出一个像顶级光学时钟一样稳定的时间尺度，这可能会导致对“秒”本身的重新定义。这正是本论文研究人员试图解决的挑战。

全光学时间机器

在这项研究中，来自 JILA、NIST 和 Vector Atomic 的一组科学家决定不再使用旧的、摇晃的微波飞轮，而是尝试一些激进的做法：他们构建了三个完全运行在光之上的独立时间尺度。他们没有依赖氢原子钟来维持检查间隙的时间，而是使用了三种不同的“光学飞轮”：两个超冷硅腔（可以将其想象成由硅制成的镜子，这些镜子被冷却到接近绝对零度以停止其抖动）和一个商用碘光学钟。

为了让这些基于光的引擎保持轨道不偏离，团队使用了一个高度可靠的锶原子光学晶格钟作为“方向盘”。这个主时钟会检查三个飞轮的速度，并进行微调以保持同步。团队进行了超过 20 天的实验，观察这三个全光学时间尺度的相互对比情况。

结果是一个巨大的进步。当这三个时间尺度进行比较时，它们保持得极其接近。在仅经过几天的平均计算后，它们的相对不稳定性就降到了 $10^{-16}$ 以下，这一精度水平需要传统的基于氢原子钟的系统花费数周才能达到。更令人印象深刻的是，在整个 20 天的期间内，这三个尺度之间的总时间差小于 100 皮秒（即 0.0000000001 秒）。为了直观理解，如果你正在看电影，这个误差小到你甚至察觉不到丢失了一帧画面。

研究人员还展示了他们可以将这些基于光的信号转换回无线电信号（即我们现有电子设备使用的信号），且不会损失精度。他们发现，将光转换为无线电波的过程增加的误差小于 2 皮秒，证明了这种新系统已经准备好与我们现有的技术进行对话。

然而，论文谨慎地指出，这并不是一个能在一夜之间解决所有问题的魔杖。该系统仍然依赖于锶钟的可用性来进行“转向”。当主时钟“休息”（每次大约发生 6 小时）时，时间尺度会发生轻微漂移，在每个间隔期累积约 20 皮秒的差异。但即便存在这些间隔，其性能也远优于目前的技术水平。作者建议，随着光学飞轮变得更加可靠以及主时钟运行时间变得更长，这些全光学时间尺度可能会成为未来的标准，最终完全取代旧的基于微波的系统。

简而言之，本文证明了构建一个完全存在于光之世界的时钟尺度是可能的，它提供了一种传统微波方法无法企及的稳定性水平。这是一个概念验证，表明时间计时的未来可能比我们想象的更加灿烂。