由美國國家標準與技術研究所（NIST）領導的研究小組日前對三種全球領先的原子鐘進行了比較，並通過空氣和光纖鏈路將“秒”的時間精度提高到新的高度。3月25日出版在《自然》雜誌上的論文中，NIST領導的這項研究主要對比了三種基於不同原子的時鐘，並首次在空中鏈接不同位置的最先進原子鐘。

NIST 物理學家David Hume 表示：“這些比較真正定義了基於光纖和自由空間測量的技術狀態–它們都比迄今為止使用不同原子進行的任何時鐘比較精確近10 倍”。新的測量具有挑戰性，因為所涉及的三種原子的”滴答”頻率截然不同，因為所有的許多網絡組件都必須以極高的精度運行，而且無線鏈路需要尖端的激光技術和設計。

原子鐘就是以原子中電子的振動為振子的時鐘，其中以光波段的電子振動為振子的時鐘稱為光鐘。光晶格鐘是光鐘的一種。原子鐘的準確度使其成為了計時和其他精確測量的絕佳工具。這是因為原子會在特定頻率發射和吸收光子，這個過程基本不受環境因素的干擾。

該研究將位於NIST博爾德不同實驗室的鋁離子鐘和鐿晶格鐘與位於1.5公里外的JILA（NIST和科羅拉多大學博爾德分校的聯合研究所）的鍶晶格鐘進行了比較。該團隊的測量非常精確，無論是光纖還是無線鏈路，不確定度只有1018的6到8分之1，也就是說，誤差從未超過0.000000000000000008。

NIST的研究人員此前詳細描述了他們如何在NIST鐿鐘和JILA鍶鐘這兩個鐘之間的空中鏈路上傳輸時間信號，發現這個過程與基於光纖的方法一樣好用，比傳統的無線傳輸方案精確1000倍。這項工作顯示了最好的原子鐘如何可能在地球上的遠程站點之間進行同步，並且隨著時間信號在更長的距離上傳輸，甚至在航天器之間進行同步。

NIST 團隊測量了頻率比，即三對原子（鐿-鍶、鐿-鋁、鋁-鍶）的頻率之間的定量關係。其結果是有史以來最精確的三個自然常數的測量。頻率比被認為是常數，在一些國際標準和基礎物理理論的測試中都會用到。

頻率比作為評價光學原子鐘的指標，具有重要的優勢。用通常的赫茲單位（每秒一個週期）直接測量光學時鐘頻率，受到現行國際標準–銫微波鐘精度的限制。頻率比克服了這一限制，因為它們不以任何單位表示。

頻率比通常是通過使用光纖網絡進行長距離測量的，而光纖網絡的數量很少，而且距離很遠，或者在某些情況下，使用通過衛星鏈路傳輸的微波數據進行測量，而衛星鏈路往往是不穩定的。