35名科学家联署Nature，重新定义了它！

原子是单位时间的极佳参考，因为它们以明确定义的共振频率发射和吸收光子，而共振频率几乎与环境干扰无关。因此，原子钟的卓越准确性使其成为用于计时和其他精确测量的出色仪器。在今天的这期Nature中，博尔德原子钟光学网络联盟报告了对位于科罗拉多州博尔德的三个世界领先时钟进行了精度的比较，这三个时钟分别位于美国国家标准与技术研究所(NIST)和JILA研究所。作者们展示了他们的时钟比较如何提供了对基础物理学的见解，并显示了在国际单位制(SI)中重新定义秒的实质性进展。

迄今为止，不同光钟（使用不同种类的原子）频率比值的最高测量准确度，能把测量不确定度降到小数点后17位。此次，博尔德原子钟光学网络联盟的研究人员对NIST的铝离子时钟、镱时钟以及JILA的锶时钟进行对比，这三个时钟获得的测量精度范围，可以达到小数点后18位。这次报道的测量结果是频率比值不确定度首次小于小数点后17位。从原则上讲，这种不确定性可以使时钟精确地计时，以至于它们在宇宙的年龄中误差不超过一秒钟。这样的光学时钟将比铯时钟精确100倍。

时钟比较是通过使用飞秒频率梳的仪器测量光学时钟频率的比率来进行的。这次获得高精度的频率比测量值绝非易事，它相当于确定从地球到月球的距离在几纳米之内。为了严格评估测量中不确定性，博尔德原子钟光学网络联盟的研究人员在整个光学时钟网络中使用了额外的组件，以检查是否有任何偏差源。作者以两种方式链接了NIST和JILA的时钟（图1）。他们使用了3.6公里长的光纤链路在所需的不确定性水平上连接光钟之间的信号。此外，他们还通过使用NIST和JILA之间的空气沿连接两个研究所的直线发送激光脉冲，以1.5公里的“自由空间”链路比较了时钟。他们发现，除了在暴风雪期间无法从自由空间链接获取数据的情况之外，这两种类型的连接提供了相似的不确定性。

35名科学家联署Nature，重新定义了它！

图1 光学时钟网络的比较

这项研究结果表明，无需使用光纤基础设施即可通过自由空间链接来连接高精度时钟，这为实验室以外的应用（如土地测量）提供了可能性。根据爱因斯坦的相对论，地球的引力使原子钟的频率取决于其高度。因此，可以通过测量两个远程时钟的频率差来确定两个远程时钟之间的高度差。在最新工作中实现的测量不确定性水平上，时钟比较可以解决厘米级的高度差。因此，时钟可以为例如冰盖或海平面的长期环境监测提供新的工具。

除此之外，该项研究还展示了另一个引人入胜的应用。作者使用时钟频率比来搜索原子与暗物质之间可能相互作用的迹象，暗物质是一种难以捉摸的物质，预计将占宇宙中大部分物质的比重。根据目前的理解，原子不会通过电磁力与暗物质发生相互作用。但是，如果存在这些相互作用，则它们将导致原子钟频率发生微小变化。虽然作者在实验中未检测到此类变化，但这个结果仍然有用。结合先前的数据，该发现表明，原子与特定类型暗物质之间的任何电磁相互作用的最大强度比先前确定的强度低了近十倍。

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图2 超轻暗物质的约束

光学时钟网络还可以用于探索物理学的许多其他方面，因为它们的精度允许以前所未有的分辨率获得对我们周围世界的测量。这样研究的例子包括在更严格的水平上测试爱因斯坦的相对论，以及寻找物理常数的可能变化。无论在重新定义秒，测量学还是基础物理学的任何应用中，时钟比较越好，影响就越大。由于当前的精度极限是由技术问题而不是基本极限来确定的，因此在将来实现进行更好的测量是非常有希望的。

Nature 591, 534-535 (2021) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00738-0

Boulder Atomic Clock Optical Network (BACON) Collaboration*., Beloy, K., Bodine, M.I. et al. Frequency ratio measurements at 18-digit accuracy using an optical clock network. Nature 591, 564–569 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03253-4

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