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原子是單位時間的極佳參考，因為它們以明確定義的共振頻率發射和吸收光子，而共振頻率幾乎與環境干擾無關。因此，原子鐘的卓越準確性使其成為用于計時和其他精確測量的出色儀器。在今天的這期Nature中，博爾德原子鐘光學網絡聯盟報告了對位于科羅拉多州博爾德的三個世界領先時鐘進行了精度的比較，這三個時鐘分別位于美國國家標準與技術研究所(NIST)和JILA研究所。作者們展示了他們的時鐘比較如何提供了對基礎物理學的見解，并顯示了在國際單位制(SI)中重新定義秒的實質性進展。

迄今為止，不同光鐘（使用不同種類的原子）頻率比值的最高測量準確度，能把測量不確定度降到小數點后17位。此次，博爾德原子鐘光學網絡聯盟的研究人員對NIST的鋁離子時鐘、鐿時鐘以及JILA的鍶時鐘進行對比，這三個時鐘獲得的測量精度范圍，可以達到小數點后18位。這次報道的測量結果是頻率比值不確定度首次小于小數點后17位。從原則上講，這種不確定性可以使時鐘精確地計時，以至于它們在宇宙的年齡中誤差不超過一秒鐘。這樣的光學時鐘將比銫時鐘精確100倍。

時鐘比較是通過使用飛秒頻率梳的儀器測量光學時鐘頻率的比率來進行的。這次獲得高精度的頻率比測量值絕非易事，它相當于確定從地球到月球的距離在幾納米之內。為了嚴格評估測量中不確定性，博爾德原子鐘光學網絡聯盟的研究人員在整個光學時鐘網絡中使用了額外的組件，以檢查是否有任何偏差源。作者以兩種方式鏈接了NIST和JILA的時鐘（圖1）。他們使用了3.6公里長的光纖鏈路在所需的不確定性水平上連接光鐘之間的信號。此外，他們還通過使用NIST和JILA之間的空氣沿連接兩個研究所的直線發送激光脈沖，以1.5公里的“自由空間”鏈路比較了時鐘。他們發現，除了在暴風雪期間無法從自由空間鏈接獲取數據的情況之外，這兩種類型的連接提供了相似的不確定性。

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圖1 光學時鐘網絡的比較

這項研究結果表明，無需使用光纖基礎設施即可通過自由空間鏈接來連接高精度時鐘，這為實驗室以外的應用（如土地測量）提供了可能性。根據愛因斯坦的相對論，地球的引力使原子鐘的頻率取決于其高度。因此，可以通過測量兩個遠程時鐘的頻率差來確定兩個遠程時鐘之間的高度差。在最新工作中實現的測量不確定性水平上，時鐘比較可以解決厘米級的高度差。因此，時鐘可以為例如冰蓋或海平面的長期環境監測提供新的工具。

除此之外，該項研究還展示了另一個引人入勝的應用。作者使用時鐘頻率比來搜索原子與暗物質之間可能相互作用的跡象，暗物質是一種難以捉摸的物質，預計將占宇宙中大部分物質的比重。根據目前的理解，原子不會通過電磁力與暗物質發生相互作用。但是，如果存在這些相互作用，則它們將導致原子鐘頻率發生微小變化。雖然作者在實驗中未檢測到此類變化，但這個結果仍然有用。結合先前的數據，該發現表明，原子與特定類型暗物質之間的任何電磁相互作用的最大強度比先前確定的強度低了近十倍。

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圖2 超輕暗物質的約束

光學時鐘網絡還可以用于探索物理學的許多其他方面，因為它們的精度允許以前所未有的分辨率獲得對我們周圍世界的測量。這樣研究的例子包括在更嚴格的水平上測試愛因斯坦的相對論，以及尋找物理常數的可能變化。無論在重新定義秒，測量學還是基礎物理學的任何應用中，時鐘比較越好，影響就越大。由于當前的精度極限是由技術問題而不是基本極限來確定的，因此在將來實現進行更好的測量是非常有希望的。

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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