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意大利INRIM团队在《Optica》发表光学时间尺度研究：实现亚纳秒级精度的年度时间标度
研究团队与发表信息
本研究的核心作者包括Valerio Formichella、Giovanna Signorile、Tung Thanh Thai等，均来自意大利国家计量研究院（INRIM）的量子计量与纳米技术部门，部分作者与都灵理工大学合作。研究于2024年4月发表于期刊《Optica》第11卷第4期，标题为《Year-long optical time scale with sub-nanosecond capabilities》。
学术背景与研究目标
该研究的科学领域为时间计量学（Time Metrology），聚焦于利用光学原子钟（optical atomic clock）生成高精度时间标度（time scale）。目前国际单位制（SI）的秒定义仍基于铯（Cs）微波钟，但光学钟凭借更高的稳定性（10^-18量级）成为未来秒重新定义的候选技术。然而，光学钟的连续运行能力不足，需通过飞轮振荡器（flywheel oscillator）（如氢脉泽，hydrogen maser）填补其停机间隙。本研究旨在验证：在光学钟非连续运行且数据分布不均的现实条件下，能否通过算法优化实现亚纳秒级（sub-nanosecond）时间标度，并维持长达一年的稳定性。
实验设计与方法流程
研究分为四个关键步骤：
实验系统搭建
- 硬件配置：以INRIM的镱（Yb）光学晶格钟（it-yb1）为参考频率源，氢脉泽（HM4）为飞轮振荡器，通过光学频率梳（optical frequency comb）连接两者。
- 算法基础：采用团队此前开发的鲁棒算法（robust algorithm）（Formichella et al., 2022），通过三部分修正（Δf0、Δf1、Δf2）调整氢脉泽频率。
- Δf0：基于30天窗口的光学钟数据拟合，补偿氢脉泽的线性漂移（约6×10^-16/天）。
- Δf2：利用UTC快速版本（UTCr）数据，以20天为周期校正时间偏差。
数据集与运行模式
- 纸质时间标度（paper time scale）：基于2022年2月至2023年1月的12个月数据，后处理生成。
- 物理时间标度（physical time scale）：2022年12月至2023年4月实时运行，硬件直接输出信号。
- 光学钟运行率（up-time）：实际测量时间占比仅16%，但通过每日至少一次测量的策略（“每日报告周期”），有效运行率达51%-59%。
算法适应性调整
- 针对氢脉泽的突发频率跳变（如2×10^-15量级）和光学钟长周期停机（最长41天），算法动态调整拟合窗口（nfit=20或30天）和修正参数（nacc=20或30天），以平衡稳定性与实时响应能力。
性能验证
- 通过对比UTC偏差、计算95百分位数（95th percentile）评估精度，并使用阿伦偏差（Allan deviation）分析频率稳定性。
主要结果与逻辑链条
长期稳定性
- 在光学钟高运行率周期（如59%时段），纸质时间标度与UTC的偏差95百分位数达520皮秒（ps），最大偏移不超过1纳秒（ns）。
- 全年数据中，尽管存在氢脉泽跳变和长停机期，时间标度仍保持3.3纳秒的95百分位数，表明算法对异常事件的鲁棒性。
实时性能验证
- 物理时间标度在5个月内累积偏差小于5纳秒，其中18天停机期间的异常跳变贡献了主要误差。通过引入UTCr修正（Δf2），后处理版本可将偏差压缩至±1纳秒内。
与传统微波钟对比
- 光学时间标度的稳定性显著优于基于铯喷泉钟（Cs fountain）的意大利国家时间标度UTC(IT)，尤其在中期（1-10天）稳定性上提升约1个数量级。
结论与价值
科学意义
- 首次证明在光学钟非连续运行条件下，通过算法优化可实现年度级别的亚纳秒精度，为未来SI秒的光学重新定义提供实验支撑。
- 提出“每日报告周期”策略，有效利用有限的光学钟数据，这一方法对实际应用场景（如UTC生成）具有普适性。
应用价值
- 推动INRIM将镱钟纳入意大利国家时间标度UTC(IT)的常规参考钟体系，增强其稳健性。
- 为其他实验室建立光学时间标度提供了可复制的硬件-算法联合方案（仅需氢脉泽、光梳和光学钟）。
亮点与创新
- 长周期验证：实验时长（12个月）超越此前多数研究（1-5个月），且未依赖铯钟辅助。
- 算法鲁棒性：通过动态调整nfit和nacc参数，解决了飞轮振荡器异常与光学钟数据缺失的挑战。
- 低成本架构：仅需基础设备（如商用氢脉泽）即可实现高性能，降低了光学时间标度的技术门槛。
其他有价值内容
研究团队公开了实验数据（Zenodo平台），并计划进一步通过自动化提升光学钟运行率。此外，团队将此工作献给已故的Valerio Formichella，以纪念其对时间计量学的贡献。