Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days
本文展示了利用光学飞轮和光学频率标准构建并连续运行三个并行的全光时间标尺，其实现了优于传统基于微波天线（maser）系统的短期稳定性及低于100皮秒的总时间差，为未来的光学计时技术铺平了道路。
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追求完美滴答的竞赛
想象一下，时间并非如一条平滑的河流，而是一系列微小、有节奏的滴答声。几个世纪以来，人类一直依靠摆钟的摆动或石英晶体的振动来计数这些滴答声。但我们今天拥有的最精确的时钟，就像是一个只有在有人站在旁边盯着看时才能工作的超精准节拍器。这些被称为“光学频率标准”，是目前计时领域的冠军，它们利用光来进行极速的滴答计数。然而，它们有一个问题：它们无法不间断地 24/7 全天候运行。当它们停止工作时，我们需要一个“飞轮”——一个能保持节奏继续运行的备份时钟。
目前，这个备份通常是一个氢原子钟（一种射频时钟）。可以将氢原子钟想象成一个可靠但过时的祖父钟：即使没人看着它，它也会持续滴答，但它有点摇晃，且节奏丢失得很快。光学时钟则像是一块高科技数字手表，在瞬间表现完美，但如果被单独放置太久，就会产生漂移。物理学界的一个重大课题是：我们能否构建一个同样使用光的完美节奏作为备份的计时系统？如果我们能做到这一点，我们不仅是在测量时间，我们还在重新定义“秒”本身，使我们的时钟精确到足以探测时空的弯曲或地球引力的细微变化。这正是科学家们试图用激光驱动的飞轮取代摇晃的祖父钟的前沿领域。
20 天的激光马拉松
在这项研究中，来自 JILA、NIST 和 Vector Atomic 的科学家团队决定测试一个大胆的想法：如果我们只用光来构建一个时间尺度会怎样？他们设置了一场由三种不同的“全光学”时间尺度组成的竞赛，每种尺度都运行在不同类型的激光飞轮上。其中两个飞轮是低温硅腔——本质上是超冷却的硅块，作为激光光的超稳定反射镜。第三个是商业碘光学钟，它利用碘气来锁定激光的频率。
为了让这些激光保持轨道，团队使用了一个“锶原子光学频率标准”（一种锶原子钟）作为裁判。每当这个裁判处于“清醒”状态时，它就会检查激光的速度，并轻轻地将它们推回正确的步调。目标是观察这些仅靠光的系统是否能在长时间内保持同步而不发生漂移。
结果取得了圆满成功。团队进行了超过 20 天的实验。在此期间，三个独立的光学时间尺度保持了惊人的同步。当他们比较一个激光钟与另一个激光钟所记录的时间时，在整个 20 天的周期内，两者的差异不到 100 皮秒（即 0.0000000001 秒）。为了直观理解，如果这些时钟运行到宇宙的寿命，它们的误差仍会小于一秒。
研究发现，这些全光学系统在仅经过几天平均后，其稳定性（即波动程度）就达到了优于 10⁻¹⁶ 的水平。这比使用氢原子钟的传统系统要快得多，因为传统系统需要数周时间才能达到同样的精度。即使当“裁判”（锶原子钟）休息时——有时长达 6 小时——这些光学飞轮依然保持着如此稳定的节拍，以至于它们的漂移仅约为 20 皮秒。团队还验证了他们可以将这些超快的光学滴答转换到目前电子设备使用的射频（100 MHz）频率，且不会损失任何这种惊人的精度。
论文明确反对了必须依赖氢原子钟作为长期计时骨干的观点。他们表明，原子钟会引入过多的“噪声”（抖动），而光学飞轮不仅可行，而且在短期稳定性方面更为优越。虽然这项研究证实了这些系统确实有效且稳定，但也指出，要让它们成为全球标准，我们需要更可靠、具有更高“运行时间”（更少停机时间）的光学钟，以及更好的长距离光纤网络来共享时间信号。但就目前而言，这项实验证明了这样一个未来——我们的时间完全由光来维持——不仅是一个梦想，更是我们今天可以衡量的现实。
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