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专家视点
部署的光学时钟将改善导航自主的定位，为地球物理监测和分布式相干传感提供远程时间标准，允许远程量子网络的时间同步，并为国家时间标准提供操作冗余。尽管实验室光学时钟现在达到了低于10-18的分数精度，但由于其尺寸、环境敏感性和成本，这些高性能时钟的可运输版本的实用性有限。在此，Jonathan D. Roslund等人实现了光学时钟的发展，该时钟具有在移动平台上运行所需的尺寸、性能和环境不敏感性的组合，它结合了分子碘光谱仪、光纤频率梳和控制电子设备，其中三个时钟在太平洋的一艘海军舰艇上连续运行了20天，每天的计时误差低于300 ps。这些时钟的性能与体积只有十分之一的主动氢微波激射器相当。在海上操作高性能时钟历来具有挑战性，对导航仍然至关重要。这一研究标志着一项重大的技术进步，预示着未来光学计时网络的到来。该工作发表在Nature上。
Jonathan D. Roslund, Arman Cingöz, William D. Lunden, Guthrie B. Partridge, Abijith S. Kowligy, Frank Roller, Daniel B. Sheredy, Gunnar E. Skulason, Joe P. Song, Jamil R. Abo-Shaeer and Martin M. Boyd. Optical clocks at sea, Nature 628: 736–740 (2024).
原子计时在现代基础设施中发挥着至关重要的作用，从交通到电信再到云计算。数十亿台设备依靠全球导航卫星系统进行精确定位和同步。全球导航卫星系统是一个分布式、高性能微波原子钟网络，在全球范围内提供纳秒级同步。可现场光学计时的出现，它在短时间尺度和多天的亚纳秒保持中提供飞秒计时抖动以及长距离飞秒级光学时间传输为皮秒级别的全局同步铺平了道路。
分子碘作为光频率标准的传统。几种碘跃迁被官方认可为长度标准，该物种是光钟最早示范的基础之一。最近，人们正在研究用于太空任务的碘频率标准。
这些时钟使用鲁棒的均热池架构，无需耗材，不需要激光冷却或预稳定腔且对平台运动不敏感。铷蒸气池的类似方法正在开发中。重要的是，碘钟在1064 nm和1550 nm处使用成熟的激光组件。专注于坚固的激光系统而不是高性能原子种类，解决了系统级的动力学、寿命、自主性和成本问题。虽然不如使用囚禁原子或离子的实验室光钟准确，但碘钟可以在紧凑、鲁棒和可移动的封装中提供微波级性能。
最初的时钟原型被集成到35I、3U、19英寸机架式机箱中，如图1a所示。时钟输出为100 MHz、10 MHz和每秒1个脉冲，为频率梳和时钟激光器提供辅助光输出（分别为1550 nm和1064 nm）。包括光谱仪、激光系统和频率梳在内的物理套件是内部设计和制造的，旨在减小系统尺寸、重量和功率。基于现场可编程门阵列的控制器为激光器和频率梳、伺服系统残余幅度调制执行数字锁定，并稳定泵浦和探头的功率。该时钟使用商用1 U机架式电源和控制笔记本电脑运行。每个系统消耗约85 W（不包括外部电源），重量为26 kg。
两个具有相同硬件的时钟（ PICKLES 和 EPIC ）用物理包开发，目标是低于10-13/√τ 的短期不稳定性，可与商业微波激射器相媲美。第三个时钟（VIPER） 具有小于5×10-13/√τ的宽松性能目标使用更小的碘光谱仪和简化的激光系统构建，将物理包体积减少50%，功耗减少5 W；机箱体积保持不变。PICKLES、EPIC和VIPER的频率梳设计和控制电子元件基本相同。
2022年4月，PICKLES和EPIC被运往位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究院，根据美国国家标准与技术研究院维护的协调世界时标，即UTC（NIST） 进行评估。时钟在光学平台上运行，无需任何进一步的措施将它们与美国国家标准与技术研究院实验室环境隔离开来，该环境温度稳定。该实验室也在整个测量活动中得到积极使用。使用采用三角帽配置的Microchip 53100A相位噪声分析仪，将每个时钟的10 MHz与5 MHz信号进行比较。NIST maser ST05被选为集成中漂移最低的微波激射器（3×10-17每天）。该测量方案允许在较短的时间尺度上对三个时钟进行解耦，并在较长的时间尺度上根据源自微波激射器集合的美国国家标准与技术研究院复合时间尺度AT1进行测量。重要的是，ST05在独立实验室的环境室中运行，提供了环境不相关的参考。同时监测PICKLES和EPIC之间的1064 nm光学拍频以进行交叉验证。安装后，时钟被留作自主运行。测量装置是远程监控的，没有加利福尼亚总部的干预且在返回美国国家标准与技术研究院后34天有意终止了比较。
整个34天数据集的重叠Allan偏差，没有任何加窗、去漂移或过滤，如图所示。为了表示单个时钟性能，Allan偏差图使用了从三角帽分析中提取的1-1000 秒的不稳定性以及超过1000 秒的时间段内针对ST05的直接不稳定性。PICKLES和EPIC短期不稳定性为5×10-14/√τ和6×10-14/√τ的表现优于ST05 maser的短期性能。在平均100000秒后两个碘钟都表现出小于5×10-15的小数频率不稳定性，相当于1天后时间保持低于300 ps。
这些数据还提供了碘钟长期稳定性的初步衡量标准（图2插图）。根据UTC（NIST）的测量，PICKLES和EPIC漂移率分别为每天2×10-15和4×10-15，与一年内测量的碘蒸气电池的长期精度一致。经过一年多的连续运行，这种漂移率比典型的空间合格铷原子频率标准低约十倍。此外，与典型的超低膨胀光学腔相比，碘稳定激光器的漂移率大约低10000-100000倍。在几个月的多个测量活动中，这种漂移率是一致的。从频率数据中去除线性漂移表明，在超过106秒（约12天）的平均后，这两个时钟的不稳定性继续保持在3×10-15以下，相当于在此期间出现1 ns的定时误差。如果不消除漂移，长期时钟性能与NIST有源氢脉泽竞争；漂移消除使时钟不稳定性与美国国家标准与技术研究院中性能最高的微波激射器不相上下。值得注意的是，为了实现图2中观察到的漂移率，NIST maser连续运行多年，并安装在体积近1000I的环境室中，以将温度和湿度分别稳定在100 mK和1%以上。在跨国运输几天后开始的测量活动中，装有PICKLES和EPIC的实验室稳定在数百毫开尔文。最后，原始碘时钟的性能在5.5天内低于美国国家标准与技术研究院的商用铯束时钟；在所有观察到的时间尺度上，脱碘性能均低于铯。
峰值偏差为4×10-15的广泛特征在大约 20000 秒（约7小时）时间尺度的 PICKLES Allan偏差中很明显。2 Hz的等效光学频率偏差对应于超精细过渡线中心的约2 ppm偏移。PICKLES中这个平台期的起源是通过光谱仪中的假标准具进行RAM耦合。通过修改构建程序，在EPIC光谱仪的构建过程中缓解了这个标准具。
碘时钟对于通过光分频得出的10 MHz和100 MHz以及1064 nm光输出表现出优异的相位噪声（图1b）。微波频率下的相位噪声低于商用原子驯化振荡器，突出了光分频的优势，其中碘稳定激光器的分数噪声被转移到频率梳重复率。
在NIST-Boulder根据绝对参考进行测量后，三个光学钟于2022年 7 月被带到夏威夷州珍珠港，参加2022年环太平洋替代位置、导航和时间（A-PNT）挑战赛 ，这是世界上最大的国际海事演习。A-PNT是与学术界、政府和行业参与者一起进行的量子技术国际演示，包括光钟在内的几种原型量子技术和原子惯性传感器。碘时钟安装在一个开放式服务器机架中，每个时钟有一个商用1 U电源、三台控制笔记本电脑和一个用于系统的不间断备用电源（图3a）。该机架还包含三个频率计数器，用于收集三个成对拍频和一个53100A相位噪声分析仪，用于将每个时钟的频率梳得出的100 MHz与三角帽配置中的其他两个频率进行比较。总堆叠，包括三个独立的时钟、电源、计算机控制和计量系统，占用了23 U的机架高度。服务器机架被硬安装到Conex柜的地板上，该货柜被吊到新西兰海军舰艇HMNZS Aotearoa 的甲板上（图3b），在船只出海的三个星期内，它一直停留在那里。船舶离开港口后，三个时钟在演习期间无需用户干预即可运行，除了由于外部电源中的软件故障而重新启动VIPER一次。
船舶航行期间的操作环境与美国国家标准与技术研究院有很大不同，但时钟仍以高性能连续运行（图1c、d）。尽管Conex有空调，但内部环境在昼夜周期内经历了大约2-3°C的峰间温度和4%-5%的相对湿度波动。时钟架位于空调机组的正前方，空调机组全天循环运行。时钟也通过船的运动而连续运行。船的旋转动力学包括以±1.2°s-1的速率达到±1.5°的峰值俯仰角，以±3°s-1的速度达到±6°的峰值横摇角。同样，最大涌浪、摇摆和垂荡加速度分别为±0.4、±1.5和±1.2 ms-2。还经历了0.03 ms-2的垂直均方根振动（从1到100 Hz的积分）。在动态环境中的操作突显了蒸汽室实现的强大、高带宽时钟读出（大于10 kHz控制带宽）。
在演习期间，该船沿所有四个基本方向行驶，如图3c中的GPS跟踪轨迹所示。美国国家海洋和大气管理局在此纬度和经度上对地球磁场的地磁模型显示，在整个过程中，地球时钟上的磁场变化了±270 mG。
航行期间测得的重叠Allan偏差，如图3d所示。对于小于100 s的时间段，使用三角帽分析提取单个时钟贡献。直接测量的成对不稳定性会显示更长的时间段。尽管船舶振动和运动，但时钟信噪比没有下降；三个时钟的短期性能与美国国家标准与技术研究院观察到的长达1000 s的性能相同（图1c,d）。所有三个时钟都显示出对频段中约0.1 Hz的主导船舶运动的免疫力（图3e）。中等时间尺度的不稳定性由Conex中的昼夜温度波动驱动。尽管如此，尽管如此，PICKLES EPIC时钟对在100000秒时保持8×10-15的组合不稳定性，而无需漂移校正，相当于大约24小时内400 ps。PICKLES-EPIC数据在103–105 s范围，因为白天空调容量不足。这个平台期在104 s自EPIC在RIMPAC之后的环境室测试基础上，但其性能仍是美国国家标准与技术研究院的两倍以内。最后，在此期间PICKLES-EPIC的漂移率与在美国国家标准与技术研究院观察到的漂移率相似。这种长期性能说明了碘计时的鲁棒性，因为时钟经历了几度的昼夜温度波动、船舶动力学引起的平台运动以及地球磁场的持续运动。
VIPER表现出1.3×的短期不稳定性及更突出的昼夜温度不稳定性，在4×10-14达到峰值接近40000 秒（相当于大约1天的周期性不稳定）。VIPER物理包是一种早期的设计，具有宽松的性能目标，导致比其他两个时钟更大的温度系数。尽管如此，该系统可以在昼夜温度波动中平均并保持2.5×10-14 的不稳定性平均1天后。VIPER 在航行过程中显示出与PICKLES和EPIC相似的漂移率。重要的是，VIPER物理包不包括磁屏蔽，但即使通过地球磁场运动，它仍然提供出色的频率稳定性。
PICKLES是美国国家标准与技术研究院和海上性能最高的时钟，其摘要数据，如图1c、d 所示。海上的单时钟性能包括τ小于200 s的去相关不稳定性（图3d蓝色迹线）和较长时间的PICKLES-EPIC数据（图3d黑色迹线）。假设贡献相等，PICKLES-EPIC数据以1/√2作为PICKLES的上限进行标准化。值得注意的是，PICKLES在海上的表现基本没有变化。
所有三个时钟都位于同一位置以进行海上测试；因此，由于船舶动力学、地球磁场的运动以及Conex内部的温度和湿度变化，可能存在相关的环境敏感性。标准参考时钟（例如铯束时钟或GPS驯服铷）无法进行比较。然而，同时评估三个时钟会提高掩盖三个系统共有波动所需的共模抑制水平，特别是考虑到VIPER的光谱仪和激光系统设计不同。将三个时钟的海上测试数据与陆地环境测试配对，可以确信潜在的相关性低于测量的不稳定性。
碘已被证明是开发实用光学计时系统的强大平台。系统尺寸、重量和功率、相位噪声、频率不稳定性、低环境敏感性和移动平台上的可操作性的独特组合使该方法与商用微波时钟和更高性能的实验室光钟区分开来。它在长期保持方面优于主动氢微波激射器，同时在短时间内优于振氢振器相位噪声和不稳定性。为了提供最佳性能，桅杆通常在大型（约1000升）环境室中运行，这些环境室会仔细调节温度和湿度，从而限制在实验室内使用。相反，在美国国家标准与技术研究院和整个正在进行的环太平洋演习中，没有采取任何特殊措施来控制碘钟的运行环境。与铯束时钟类似，3U机架式外形尺寸适合在实验室外使用。
总之，这些时钟是迄今为止性能最高的海上时钟。实现此类操作所需的集成、封装和环境稳健性是朝着广泛采用光学计时迈出的重要技术步骤。自这些现场演示以来，下一代系统进一步提高了机架式时钟的性能和系统尺寸、重量和功率，包括将短期不稳定性降低到2×10-14/√τ，将整个系统尺寸、重量和功率降低到30 l、20 kg和70 W，并消除外部电源。
