- 높은 이용률을 가진 바카라 양방 격자 시계에 의한 수소 마스 원자 시계의 주파수 변동을 억제
- ± 1 ns (10 억의 1 초) 이내의 동기화 정확도가 장기 안정적인 방식으로 달성 될 수 있음을 보여줍니다
- 재정의 초에 대한 고려 가속화
바카라 양방 격자 시계를 사용하여 현재 국가 표준 UTC (NMIJ) 및 미래의 국가 표준 UTC (NMIJ) 생성의 개념 다이어그램
최고 연구원 Kobayashi Takumi, National Advanced Industrial Science and Technology (바카라 커뮤니티) (이하 "AIST") 및 부교수 Akamatsu Daisuke, Yokohama National University 및 기타 부교수는 다음과 같습니다바카라 양방 격자 시계를 사용하여 230 일 연속 매우 정확한 시간 시스템을 생성하는 데 성공했습니다
바카라 양방 격자 시계를 사용하여 현재 얻은 빛의 주파수를 참조하려면두 번째 정의 검토 (두 번째 재정의)논의 중입니다 일단 재정의되면, "미세 스케일 가이드"가 현재 정의보다 수만 횟수가 더 많이 설립 될 것으로 예상되며, 시간과 빈도에 따라 사회에 높은 정확도를 공급할 수있을 것으로 예상됩니다 새로운 정의가 현재 정의보다 오랜 시간 동안 더 정확하고 안정적이라는 등의 정의를 검토하는 데 많은 과제가 남아 있습니다 이 중에서, 바카라 양방 격자 시계를 사용하여 원자 시계의 주파수를 조정하여 매우 정확하고 안정적인 시간 시스템을 생성하는 것은 초를 재정의하기 위해 달성하기에 바람직한 조건 중 하나이며, 다양한 국가에서 연구가 수행되고 있습니다 AIST는 지속적으로 작동 할 수있는 원자 시계입니다수소 MASER 원자 시계의 주파수 시간 시스템을 생성하도록 수동으로 조정되지만 바카라 양방 격자 시계를 사용하여 조정하면 정확도가 훨씬 높은 시간 시스템을 생성 할 수 있습니다 그러나 지금까지 광 격자 클록은 낮은 작동 속도로만 작동 할 수있어 바카라 양방 격자 시계가 중지되는 기간 동안 원자 시계의 주파수를 정확하게 조정하기가 어렵습니다
이번에는 과거에 높은 작동 속도로 성공적으로 작동 한 바카라 양방 격자 시계의 데이터를 사용하여 그 당시 수소 MASER 원자 시계의 빈도를 조정하고 바카라 양방 격자 시계를 기반으로 시간 시스템을 생성했습니다 이 시간 시스템은 230 일 동안 그 시간의 표준 국제 시간이었습니다조정 보편적 시간 (UTC)와 함께 ± 1 ns (1 억 1 억 초)의 시차로 세계 최고 수준의 동기화 정확도를 달성했습니다 이 성과는 두 번째를 재정의하는 것에 대한 고려 사항을 가속화 할 것으로 예상됩니다
이 기술의 세부 사항은 2024 년 6 월 7 일 (동부 표준 시간)에 제공 될 예정입니다물리 검토 적용"
현재, 초는 세슘 원자의 공진 마이크로파 주파수 (약 92GHz)로 정의되며 15-16 자리의 정확도로 달성됩니다 (3 천만 년에서 3 천만 년 중 1 초 밖에되지 않음) 전자 레인지보다 높은 바카라 양방 주파수 (400-500 THZ)를 사용하는 바카라 양방 격자 클록은 1-2 크기의 순서로 시간 정확도를 향상시켜 초를 재정의하기위한 유망한 후보가 될 것으로 예상됩니다 빛을 사용하는 새로운 정의는 전자 레인지를 사용하는 현재 정의보다 오랫동안 더 정확하고 안정적이며 현재 정의와의 연속성을 보장하기 때문에 초 초의 재정의 초가 남아 있습니다 이 중에서, 바카라 양방 격자 시계로 연속적으로 작동 할 수있는 수소 마사 원자 시계의 주파수를 조정하여 오랜 시간에 걸쳐 높은 정확도를 갖는 안정적인 시간 시스템을 생성하는 것은 초의 재정의를 위해 준비하기 위해 달성하기를 원하는 조건 중 하나로 간주됩니다
수소 MASER ATOMIC CLOCKS는 주파수의 점진적인 변화가 있으므로 정기적으로 조정해야하며 주파수는 시간 시스템을 생성하기 위해 위성에 의한 원격 비교에 의해 얻어진 시계와 UTC의 차이에 따라 수동으로 조정됩니다 따라서 바카라 양방 격자 시계를 사용하여 수소 MASER 원자 시계의 주파수를 조정하면 현재 생산중인 것보다 더 정확한 시간 시스템이 가능하며 다양한 국가에서 연구가 수행 될 것으로 예상됩니다 그러나 바카라 양방 격자 시계는 매우 복잡한 장치이며 수작업으로 미세 조정이 필요하므로 많은 연구 기관이 낮은 작동 속도로만 작동 할 수 있으며, 수소 MASER 원자 시계의 주파수의 변동은 바카라 양방 격자 시계가 정지되는 기간 동안 완전히 억제 할 수 없습니다
UTC는 전 세계 수백 개의 원자 시계의 평균 가중치에 의해 계산되는 시간 시스템이며, 안정성과 중복성이 높아 전 세계의 표준이됩니다 그러나 UTC는 컴퓨터에서 한 달에 한 번 생성되며 실시간으로 사용할 수없는 가상 시간 시스템입니다 그러므로 각 국가는입니다National Metrology Standards Agency시간 시스템 UTC (K) (K : Research Institute의 이름)를 생성 및 공급하는 수소 MASER 원자 시계를 사용하여 지속적으로 작동 할 수 있습니다 AIST는 NMIJ (National Metrology Institute of Japan)를 국가 시간 주파수 표준으로 생성하여 UTC와의 시차를 수십에서 나노 초 내에 유지합니다
AIST는 몇 달 동안 높은 작동 속도로 작동 할 수있는 Ytterbium 바카라 양방 격자 클록을 개발했습니다 (Aisotech Press 발표 2020 년 11 월 3 일) 이 바카라 양방 격자 시계는 UTC 주파수 교정 작업에 관여하여 정확한 국제 표준 시간을 유지하려는 노력에 기여합니다 이번에는 UTC와의 UTC (NMIJ) 동기화의 정확도를 향상시키기 위해 지금까지 얻은 높은 활용률이있는 데이터를 사용했습니다
이 연구 및 개발은 JSPS JK Grants for Young Research B (No 17K14367), 근본적인 연구 B (No 22H01241), 기본 연구 A (No 17H01151), JST 미래 사회 제작 프로젝트 (No JPMJMI18A1) 및 JST MOONSHOT Project (JST Moonshot Project and Development)에 의해 지원됩니다 JPMJMS2268)
UTC (NMIJ)는 수소 MASER 원자 시계와 주파수 조절기로 구성됩니다 전통적인 작업에서는 수십 개의 나노 초 내에 UTC와 UTC (NMIJ) 간의 시차를 유지하기 위해 주파수 조정이 수동으로 수행되었습니다 이 연구에서, 우리는 바카라 양방 격자 시계를 사용하여 수소 MASER 원자 시계의 주파수를 측정하고 수소 마사의 주파수의 변동을 자동으로 수정하여 UTC (NMIJ)의 주파수를 가능한 한 UTC에 가깝게 만듭니다 UTC 및 UTC (NMIJ)의 빈도가 가까운 경우 UTC와 UTC (NMIJ)의 시차를 작게 유지할 수 있습니다 이 방법 자체는 이전 연구에서 연구되었지만 (참조 1-3), 바카라 양방 격자 시계의 장기 연속 작동을 일반적으로 작동하기가 어렵 기 때문에 바카라 양방 격자 클록의 작동은 간헐적이었다 (작동 속도 <20%) 바카라 양방 격자 클록이 중지되는 기간 동안, 수소 마사 원자 시계의 주파수 변동을 완전히 파악할 수 없으며, 정지 기간이 길면 UTC와의 시차가 크게 증가 할 수 있습니다 이 연구에서 우리는 과거에 달성 된 바카라 양방 격자 클록의 높은 작동률 (작동 속도> 80%)을 달성함으로써 시차의 확산을 줄이는 것을 목표로했다 (그림 1 참조)
그림 1 (a) 간헐적 작동 (작동 속도 20%) 및 (b) 바카라 양방 격자 시계의 높은 작동 (80%) 동안 생성 된 시간 시스템의 개념적 다이어그램 바카라 양방 격자 시계의 작동 기간 동안 수소 MASER 원자 시계의 주파수 변동이 있다면, 시차의 기울기가 평평 해지고 시차의 확산이 억제 될 것이다 간헐적 작동으로 인해 바카라 양방 격자 시계가 장시간 중지되면이 기간 동안 시차가 넓어 질 수 있습니다 반면, 높은 운영 속도 작동에서는 대부분의 기간 동안 기울기를 평평하게 할 수있어 시차를 한계까지 유지할 수 있습니다 이 수치는 AIST의 수소 MASER 원자 시계의 주파수 변동의 특성에 기초한 시뮬레이션에 의해 얻어졌다
이번에는 바카라 양방 격자 시계를 사용하여 시간 시스템을 실시간으로 생성하는 이전 단계의 테스트로서 과거 데이터를 사용하여 주파수 조정을 수행하여 바카라 양방 격자 시계를 기반으로 시간 시스템 UTC (NMIJ)를 생성했습니다 그림 2 (a)는 2019 년 11 월 12 일부터 2020 년 6 월 29 일까지 230 일 동안 바카라 양방 격자 시계 (816%의 작동 속도)를 사용하여 모니터링되는 수소 마사 원자 시계의 주파수 데이터를 보여줍니다 20 분마다 빈도 조정이 수행되었으며, 이는 얻은 수소 대기 시계의 빈도 값에 대한 이론적으로 최적의 간격이 될 것으로 예상됩니다 주파수 조정 값은 바카라 양방 격자의 작동 속도를 대략 20 분마다 고려합니다주파수 조정 알고리즘12504_12737Cesium Atomic Hood Clock와 같은 매우 정확한 전자 레인지 원자 시계 높은 작동 속도로 작동하며 UTC (k)의 UTC와 동기화의 정확도를 향상시키는 데 사용됩니다 그림 2 (c)의 비교 결과는 시간 시스템을 생성 할 때 바카라 양방 격자 클록의 이점을 시사합니다 UTC (K)에 대한 바카라 양방 격자 클록의 기여는 초를 재정의하기 위해 달성하기를 원하는 조건 중 하나로 간주되며, 다양한 국가에서 연구가 수행되고 있습니다 이 연구 결과는 두 번째를 재정의하는 것에 대한 고려 사항을 가속화 할 것으로 예상됩니다
그림 2 (a) 바카라 양방 격자 시계의 높은 작동 속도 (816%의 230 일 작동 속도)에 의해 모니터링되는 수소 MASER 원자 시계의 주파수 변동의 상대적 값 편의상 다이어그램의 수평 축입니다
개정 된 줄리안 날짜사용됩니다 오차 막대가있는 검은 반점은 바카라 양방 격자 클록으로 측정하여 수소 마스제 원자 시계의 주파수를 측정합니다 빨간색 점은 주파수 조정 알고리즘에 의해 결정된 주파수 조정 값을 나타냅니다 (b) UTC의 UTC (NMIJ)와 UTC (NMIJ) 간의 시차 (c) 다른 기관이 생성 한 세계 최고 표준의 UTC (NMIJ)와 UTC (k) 사이의 시간 차이 비교 K의 예로는 미국 해군 전망대 (USNO), 독일 물리 공학 연구소 (PTB) 및 파리 천문대 (OP)가 있습니다
*그림 2이 보도 자료의 그림 2는 원래 논문에서 인용되고 수정 된 그림을 사용합니다
지금부터, 우리는 높은 운영 속도의 바카라 양방 격자 시계를 작동시켜 UTC (NMIJ)를 실시간으로 생성하고 국가 시간 주파수 표준으로 작동하는 것을 목표로합니다 또한 고정밀 시간 주파수 표준 (Aisotech Press 발표 2022 년 12 월 8 일,2023 년 7 월 6 일에 AIST 언론의 애니메이션)
게시 된 잡지 :물리 검토 적용
거의 연속적으로 작동하는 바카라 양방 격자 시계가 지원하는 정밀 시간 스케일 제목
저자 : Takumi Kobayashi, Daisuke Akamatsu, Kazumoto Hosaka, Yusuke Hisai, Akiko Nishiyama, Akio Kawasaki, Masato Wada, Hajime inaba, Takehiko Tanabe, Tomonari Suzukiyama, Feng-Lei h, Masiciyame 야스다
doi : 101103/physRevapplied21064015
1) H Hachisu, F Nakagawa, Y Hanado 및 T Ido, 바카라 양방 시계를 기반으로 한 시간 규모의 시간 규모의 실시간 생성과학 보고서 8, 4243 (2018)
2) J Yao, J A Sherman, T Fortier, H Leopardi, T Parker, W McGrew, X Zhang, D Nicolodi, R Fasano, S Schäffer, K Beloy, J Savory, S Romisch, C Oates, S Diddams, A Ludlow 및 J levine, levine, levine, levine물리 검토 적용12, 044069 (2019)
3) V Formichella, G Signorile, T T Thai, L Galleani, M Pizzocaro, I Goti, S Condio, C Clivati, M Risaro, F Levi, D Calonico, I Sesia, Sub-Nanosecond Apcibilities를 사용한 연중 무시한 시간 규모,Optica 11, 523 (2024)