원자 시계

1. 개요

원자 시계는 원자 시스템의 진동 주파수를 이용하여 시간을 측정하는 시계이다. 1873년 제임스 클러크 맥스웰이 빛의 파동 진동으로 시간 측정 아이디어를 제시한 이후, 1949년 해럴드 라이온스가 암모니아 흡수선을 이용한 최초의 원자시계를 발명했다. 1955년 루이스 에센과 잭 패리가 세슘 원자를 사용한 실용적인 원자시계를 개발했고, 1967년에는 세슘-133 원자의 진동을 1초로 정의하여 국제단위계의 초의 기준으로 삼았다. 현재는 세슘 원자시계 외에 루비듐, 수소 메이저, 광시계 등 다양한 종류가 개발되었으며, 광시계는 레이저와 광격자를 이용하여 더욱 높은 정확도를 제공한다. 원자 시계는 GPS, 인터넷, 전파 천문학, 일반 상대성 이론 검증 등 다양한 분야에 활용되며, 국제 시간 표준 유지 및 관리에 중요한 역할을 한다.

2. 역사

1949년, 미국표준기술연구소(NIST)의 해럴드 라이온스가 암모니아 흡수선을 이용한 최초의 원자시계를 발명했다. 이후, 1955년 영국표준과학연구소(NPL)의 루이 에센과 잭 패리가 세슘 원자시계를 개발하여 국제원자시(TAI)를 기록하며 실용화되었다.

1949년 알프레드 카스트러와 장 브로셀은 광 펌핑 기술을 개발하여 자기 공명 및 마이크로파 흡수 신호 생성을 개선했지만, 공명 주파수의 빛 이동 부작용이 발생했다. 이후 클로드 코앙-타누지 등이 이 문제를 해결했다. 램지 간섭계는 1950년 콜스키, 핍스, 램지, 실스비에 의해 분자빔 분광법에 사용되었다.

1956년 이후, 미국 국립표준기술원(NIST), 독일 독일연방물리기술청(PTB), 캐나다 캐나다국립연구위원회(NRC), 영국 영국표준국, 국제시간국(BIH), 파리천문대 등 여러 기관에서 원자시계 연구를 진행했다. 내셔널 라디오 컴퍼니는 1950년대에 최초의 원자시계인 아토미크론을 50대 이상 판매했고, 1964년 휴렛 패커드는 세슘 시계 5060 모델을 출시했다. 1991년 휴렛패커드의 HP 5071A 세슘 원자시계는 160만 년에 1초 오차로 기네스북에 등재되었다.

2011년 정보통신연구기관(NICT)과 도쿄대학은 원자시계를 연결하여 6500만 년에 1초(16자리) 정확도를 확인했고, 미국에는 70억 년에 1초 정확도의 원자시계가 있다.

2.1. 초기 역사

1873년, 스코틀랜드의 물리학자 제임스 클러크 맥스웰은 저서 "전기와 자기에 대한 논문"에서 빛의 파동 진동으로 시간을 측정하는 것을 제안했다. 그는 이 방법이 시간 측정을 위해 사용되는 지구의 자전을 기반으로 하는 평균 태양시 초보다 더 정확할 것이라고 주장했다.

1930년대에는 미국의 물리학자 아이작 아이작 라비가 원자빔 자기 공명 주파수 시계를 위한 장비를 만들었다.

기계식, 전기 기계식 및 석영 시계의 정확도는 온도 변동에 의해 감소된다. 제임스 클러크 맥스웰, 켈빈 경, 그리고 아이작 라비가 제안했듯이, 이는 원자의 진동 주파수를 측정하여 훨씬 더 정확하게 시간을 유지한다는 아이디어로 이어졌다.

1945년에 라비는 원자시계의 개념을 제안했고, 이는 1949년 미국표준기술연구소(NIST)의 물리학자 해럴드 라이온스가 암모니아 흡수선을 이용한 최초의 원자 시계를 발명하는 결과로 이어졌다.

1955년, 영국표준국에서 루이스 에센은 잭 패리와 공동으로 세슘 원자를 사용한 최초의 실용적이고 정확한 원자시계를 만들었다.

2.2. 초의 정의

1967년, 국제도량형총회(CGPM)는 세슘-133 원자의 섭동(攝動, 외부 요인에 의한 영향)이 없는 바닥 상태 초미세 전이 진동수 9,192,631,770회를 1초로 정의했다. 1997년, 국제도량형위원회(CIPM)는 앞선 정의가 절대 영도(0K, 섭씨 -273.15도)에서 정지 상태에 있는 세슘 원자를 가리킨다는 것을 추가했다. 2019년 SI 기본 단위 재정의 이후, 기본 단위 중 몰을 제외한 모든 단위와 거의 모든 유도 단위의 정의는 초의 정의에 의존한다.

국제도량형국(BIPM)은 2006년부터 초의 2차 표현에 권장되는 주파수 목록을 관리하고 있으며, [https://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/standard-frequencies-second 온라인에서 확인할 수 있다]. 이 목록에는 루비듐 마이크로웨이브 전이와 여러 광학 전이에 대한 주파수 값과 각 표준 불확정성이 포함되어 있다.

2.3. 광시계의 발전

1990년대 레이저와 광주파수 빗(optical frequency combs)과 같은 기술 발전은 원자 시계의 정확도 향상으로 이어졌다. 레이저는 마이크로파보다 훨씬 높은 주파수를 가진 원자 상태 전이에 대한 광학 범위 제어를 가능하게 하며, 광주파수 빗은 빛의 매우 높은 주파수 진동을 매우 정확하게 측정한다.

광격자를 이용한 광 시계 기술은 1960년대 러시아의 물리학자 Vladilen Letokhov에 의해 처음 제안되었다. 2001년에는 도쿄대학의 카토리 히데토시(2011년부터 이화학연구소 주임 연구원 겸임)에 의해 광격자 시계가 제창되었고, 2003년에 기초 실험에 성공하여 2005년에 개발에 성공했다. 펨토초 주파수 빗과 광격자의 개발은 원자시계를 새로운 세대로 이끌었다.

2006년 10월 국제도량형총회에서 광격자 시계는 「초」의 2차 표현(초의 새로운 정의의 후보)으로 채택되었다.

광 시계는 이온 또는 원자에서 금지된 광학 전이를 기반으로 한다. 이들은 약 의 주파수를 가지며, 일반적으로 1 Hz의 자연 선폭을 가지므로 Q-인자는 약 또는 그 이상이다. 이들은 마이크로파 시계보다 안정성이 뛰어나므로 더 낮은 불확실성을 평가할 수 있다. 또한 시간 분해능이 더 뛰어나 시계의 "틱"이 더 빠르다. 광 시계는 단일 이온 또는 –개의 원자를 가진 광격자를 사용한다.

포획 원자의 후보로는 Al⁺, Hg^+/2+, Hg, Sr, Sr^+/2+, In^+/3+, Mg, Ca, Ca⁺, Yb^+/2+/3+, Yb 및 Th^+/3+가 있다.

세슘 시계의 정밀도를 넘어선 최초의 발전은 2010년 NIST에서 알루미늄 이온을 사용하여 의 정밀도를 달성한 "양자 논리" 광 시계의 시연으로 이루어졌다. JILA의 과학자들은 2015년 의 주파수 정밀도를 가진 스트론튬 시계를 시연했다. NIST의 과학자들은 2019년 단일 알루미늄 이온을 측정하여 의 주파수 불확실성을 가진 양자 논리 시계를 개발했다.

2015년 2월, 카토리, 타카모토 마사오 등은 스트론튬 광격자 시계 2대를 비교함으로써, 전반의 정밀도를 확인했다고 발표했다.

한국표준과학연구원(産業技術総合研究所) 측정표준연구부문 시간주파수과 홍봉뢰(洪鋒雷) 연구과장, 안다 정미(安田正美) 주임연구원 등은 이터븀 171 광격자 시계를 개발하고 있다. 2012년 10월 국제도량형총회(国際度量衡委員会)에서 초의 이차 표현(초의 새로운 정의 후보)으로 채택되었다.

광 시계 분야가 성숙되는 2030년이나 2034년경에는 초가 재정의될 것으로 예상된다.

2.4. 칩 스케일 원자시계

2004년 8월, NIST 과학자들은 일반 원자시계보다 100배 작고 의 훨씬 적은 전력을 소비하는 칩 스케일 원자시계를 시연했다. 이 원자시계는 쌀알 크기 정도였으며 약 9 GHz의 주파수를 가졌다. 이 기술은 2011년에 상용화되었다. 칩 하나 크기의 원자시계는 30밀리와트 미만의 전력을 필요로 한다.

NIST는 몇 밀리미터 크기의 장치로 시간을 측정하는 소형화된 방법을 개발하기 위해 "칩 상의 NIST" 프로그램을 만들었다.

3. 원리

원자와 분자는 특정 주파수의 전자파를 흡수·방출하는 성질(스펙트럼 흡수선·휘선)을 가지고 있으며, 수정발진자 등보다 고정밀한 주파수 표준이 된다. 주파수는 시간의 역수이므로, 시간을 고정밀로 측정할 수 있다. SI 단위계의 초의 정의도 이 성질을 이용하고 있다.

원자시계는 이러한 주파수 표준기와 초고정밀 수정발진자에 의한 쿼츠 시계를 조합하여, 수정발진자의 발진 주파수를 항상 조정·수정하는 방식으로 작동한다. 원자시계는 두 가지 가능한 에너지 상태 중 하나에 있을 수 있는 원자 시스템을 기반으로 한다. 한 상태의 원자 그룹을 준비한 다음, 마이크로파 방사선을 쬔다. 방사선의 주파수가 올바르면, 많은 원자들이 다른 에너지 상태로 전이될 것이다. 주파수가 원자의 고유 진동 주파수에 가까울수록 더 많은 원자가 상태를 바꿀 것이다. 이러한 상관관계를 통해 마이크로파 방사선의 주파수를 매우 정확하게 조정할 수 있다. 마이크로파 방사선이 최대 수의 원자가 상태를 바꾸는 알려진 주파수로 조정되면, 원자와 그에 따른 전이 주파수를 시간 측정 발진기로 사용하여 경과 시간을 측정할 수 있다.

모든 시간 측정 장치는 해시계의 지구 자전, 할아버지 시계의 추의 흔들림, 손목시계의 용수철과 기어의 진동 또는 석영 크리스털 시계의 전압 변화와 같이 시간을 정확하게 측정하기 위해 진동 현상을 사용한다. 그러나 이러한 것들은 모두 온도 변화의 영향을 쉽게 받으며 정확도가 높지 않다. 가장 정확한 시계는 시간을 추적하기 위해 원자 진동을 사용한다. 원자의 시계 전이 상태는 온도 및 기타 환경 요인에 영향을 받지 않으며, 진동 주파수는 다른 시계보다 훨씬 높다(마이크로파 주파수 영역 및 그 이상).

4. 종류

원자 시계의 종류는 크게 마이크로파 시계와 광 시계로 나눌 수 있다. 1950년대 최초의 원자 시계가 개발된 이후 정확도는 꾸준히 향상되어 왔다. 초기에는 세슘, 루비듐, 수소 원자를 측정하는 마이크로파 시계가 주를 이루었다. 1959년부터 1998년까지 미국 표준기술연구소(NIST)는 NBS-1부터 NIST-7까지 총 7개의 세슘-133 마이크로파 시계를 개발했으며, 이들은 세슘 분수와 원자 레이저 냉각 기술을 사용했다.

1990년대 이후 레이저 및 광주파수 빗과 같은 기술 발전으로 이터븀, 수은, 알루미늄, 스트론튬 등을 사용하는 광 시계가 등장했다. 광 시계는 마이크로파 시계보다 훨씬 높은 정확도를 가지며, 현재 및 수준의 정확도를 목표로 연구가 진행 중이다. 궁극적으로는 우주의 나이 동안 1초 이하의 오차를 가지는 시계를 개발하여 1초를 재정의하는 것이 목표이다.

국제 원자시(TAI)는 국제도량형국(BIPM)에서 관리하며, 주요 및 보조 주파수 표준의 성능을 평가하고 보고한다. SI 단위계에서 1초는 세슘-133 원자의 초미세 전이 주파수를 기준으로 정의되므로, 세슘 표준은 1차 시간 및 주파수 표준으로 간주된다.

정확도의 원자시계는 영국의 국립물리연구소(NPL)의 NPL-CsF2 세슘 분수 시계와 미국의 NIST-F2에서 처음 달성되었다. NIST-F2는 액체 질소 냉각을 통해 정밀도를 향상시켰다.

4.1. 마이크로파 시계

세슘 시계는 1999년에 개발된 NIST-F1 시계와 2013년에 개발된 NIST-F2 시계를 포함한다. 세슘은 원자 시계에 적합한 여러 특성을 가지고 있다. 상온에서 수소 원자는 초속 1,600m로 이동하고 질소 원자는 초속 510m로 이동하는 반면, 세슘 원자는 질량이 더 크기 때문에 초속 130m의 훨씬 느린 속도로 이동한다. 세슘의 초미세 주파수(~9.19 GHz)는 루비듐(~6.8 GHz)이나 수소(~1.4 GHz)와 같은 다른 원소보다 높다. 세슘의 높은 주파수는 더 정확한 측정을 가능하게 한다. 현재 국가 표준에 적합한 세슘 기준관은 약 7년 동안 지속되며 약 3만 5천 달러의 비용이 든다. 미국의 시간 표준 원자 시계인 NIST-F1 및 NIST-F2와 같은 1차 주파수 및 시간 표준은 훨씬 더 높은 전력을 사용한다.

세슘 빔 주파수 기준에서는, 높은 안정성을 가진 전압 제어 석영 결정 발진기(VCXO)로부터 시간 신호를 얻는데, 이 발진기는 좁은 범위 내에서 조정 가능하다. VCXO의 출력 주파수(일반적으로 5 MHz)는 주파수 합성기를 통해 곱해져 세슘 원자 초미세 전이 주파수(약 9192.6317)의 마이크로파를 얻는다. 주파수 합성기의 출력은 증폭되어 세슘 기체가 들어있는 챔버에 인가되는데, 이 기체는 마이크로파를 흡수한다. 세슘 챔버의 출력 전류는 흡수가 증가함에 따라 증가한다. 나머지 회로는 단순히 초미세 전이의 공진 주파수에 발진기가 동조되도록 유지하는 세슘 챔버의 출력 전류를 최대화하기 위해 VCXO의 작동 주파수를 조정한다.

국제도량형국(BIPM)은 세슘 표준 주파수를 기준으로 루비듐-87 원자의 비섭동 기저 상태 초미세 전이 주파수를 6,834,682,610.904 312 6 Hz로 정의한다. 따라서 루비듐 표준을 기반으로 하는 원자 시계는 2차적인 초(second) 표현으로 간주된다. 루비듐 표준 시계는 저렴한 비용, 작은 크기(상용 표준은 0만큼 작다) 및 단기 안정성으로 인해 높이 평가된다. 이는 많은 상업용, 휴대용 및 항공 우주 응용 분야에 사용된다. 최신 루비듐 표준관은 10년 이상 지속되며, 가격이 50달러에 불과할 수 있다. 일부 상업용 응용 프로그램에서는 GPS 수신기(참조: GPS 제어 발진기)로 주기적으로 보정되는 루비듐 표준을 사용한다. 이는 우수한 단기 정확도를 달성하며, 장기 정확도는 미국 국가 시간 표준과 동일하고(그리고 이에 추적 가능하다)

국제도량형국(BIPM)은 세슘 표준 주파수를 기준으로 수소-1 중성 원자의 비섭동 광학 전이 주파수를 1,233,030,706,593,514 Hz로 정의한다. 따라서 수소 표준을 기반으로 하는 원자 시계는 2차적인 시간 단위 표현으로 간주된다.

수소 메이저는 다른 표준에 비해 단기 안정성이 뛰어나지만 장기 정확도는 낮다. 시간이 지남에 따라 공진기의 특성이 변화하기 때문에 수소 메이저 표준의 장기 안정성이 감소한다. 수소 메이저의 상대 오차는 1000초 동안 5 × 10⁻¹⁶이다. 이로 인해 수소 메이저는 특히 초장기선 간섭계를 이용한 전파 천문학에 적합하다. 수소 메이저는 레이저 냉각 원자 주파수 표준의 플라이휠 발진기와 국가 표준 연구소의 시간 신호 방송에 사용되지만, 시간이 지남에 따라 정확한 주파수에서 벗어나기 때문에 보정이 필요하다. 수소 메이저는 중력 적색 편이와 같은 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론 효과의 실험적 검증에도 유용하다.

마이크로파 시계는 암모니아나 세슘 외에 루비듐이나 수소 등도 사용되는 원자시계이다. 먼저 로에서 방출된 세슘-133의 증기를 자기장을 이용하여 초미세 준위가 다른 두 가지로 분리한다. 분리된 것 중 바닥상태의 원자에 수정 진동자를 기준으로 0의 마이크로파를 조사하여, 이에 따라 여기된 원자에 다시 자기장을 걸어 분리한다. 여기 상태의 세슘의 양이 많아지도록 주파수를 조정하여 정확한 0의 마이크로파를 만들어낸다. 1967년부터 국제적인 1초의 정의가 되고 있다. 오차는 1억 년에 1초() 정도로 알려져 있다. 최고의 정확도를 실현하고 있는 것은 1차 표준의 몇 대에 한정되어 있으며, 대부분은 약간 정확도가 낮은 상업적으로 제작된 2차 표준을 사용하고 있다.

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마이크로파 시계의 종류와 정확도

종류	측정 시간 1초	측정 시간 1000초
수소 메이저 원자시계	10⁻¹³	10⁻¹⁵
루비듐 원자시계	10⁻¹¹	10⁻¹³
이터븀 이온 원자시계	10⁻¹²·⁵	10⁻¹³·⁵

4.2. 광 시계

1990년대 레이저와 광주파수 빗 같은 기술 발전은 원자 시계의 정확도를 크게 향상시켰다. 광 시계는 이터븀, 수은, 알루미늄, 스트론튬 등을 기반으로 개발되며 측정학 분야에서 활발히 연구되고 있다.

광 주파수를 사용한 원자시계의 주요 표준 시스템은 다음과 같다.

* 이온 트랩에 격리된 단일 이온
* 광격자에 포획된 중성 원자
* 3차원 양자 기체의 광격자에 채워진 원자 군

이러한 기술은 매우 안정적인 주파수 기준을 구현하며, 레이저 및 자기 광학 트랩을 사용하여 원자를 냉각함으로써 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.

포획 원자의 후보로는 Al⁺, Hg^+/2+, Hg, Sr, Sr^+/2+, In^+/3+, Mg, Ca, Ca⁺, Yb^+/2+/3+, Yb 및 Th^+/3+가 있다. 원자시계의 전자기파의 색은 시뮬레이션된 원소에 따라 다르다. 예를 들어, 칼슘 광시계는 적색광, 이터븀 광시계는 자색광에서 공명한다.

단일 이온 시계:

* 스트론튬 이온 시계
* 이터븀 이온 시계

중성 원자 광 시계:

* 스트론튬 광격자 시계: 레이저 빛의 간섭 정상파에 의해 생성된 광격자 안에 약 100만 개의 스트론튬 원자를 램-디케 구속에 의해 가두어 만든다. 2001년 도쿄대학의 카토리 히데토시(2011년부터 이화학연구소 주임 연구원 겸임)에 의해 제창되었고, 2003년에 기초 실험, 2005년에 개발에 성공했다. 이론적으로는 세슘 원자 시계의 1000배인 「300억 년에 1초」의 정밀도를 가진다. 2006년 10월 국제도량형총회에서 「초」의 2차 표현(초의 새로운 정의의 후보)으로 채택되었다.
* 이터븀 광격자 시계: 스트론튬 광격자 시계보다 정밀도가 높을 가능성이 있다. 한국표준과학연구원(産業技術総合研究所) 측정표준연구부문 시간주파수과 홍봉뢰(洪鋒雷) 연구과장, 안다 정미(安田正美) 주임연구원 등이 개발하고 있다. 흑체복사나 핵스핀의 영향이 적어 정밀도가 높다고 여겨진다. 2012년 10월 국제도량형총회(国際度量衡委員会)에서 초의 이차 표현(초의 새로운 정의 후보)으로 채택되었다.

4.3. 기타

1990년대 레이저(lasers)와 광주파수 빗(optical frequency combs)과 같은 기술 발전은 원자 시계의 정확도 향상으로 이어졌다. 2008년 3월, 미국표준기술연구소(NIST)의 물리학자들은 베릴륨과 알루미늄 이온을 기반으로 한 양자 논리 시계를 설명했다. 이 시계는 NIST의 수은 이온 시계와 비교되었는데, 10억 년이 넘도록 1초 이상의 오차를 발생시키지 않는, 지금까지 만들어진 가장 정확한 시계였다. 2010년 2월, NIST 물리학자들은 마그네슘과 알루미늄 이온을 기반으로 한 두 번째 향상된 버전의 양자 논리 시계를 설명했는데, 이는 2010년 세계에서 가장 정확한 시계로 여겨졌으며, 원래 시계보다 두 배 이상의 정밀도를 제공했다.

2019년 7월, NIST 과학자들은 총 불확실성이 인 Al⁺ 양자 논리 시계를 시연했는데, 이는 미만의 불확실성을 가진 이러한 시계의 첫 번째 시연이다.

5. 측정

측정학자들은 현재(2022년) 이온 트랩과 광빗과 같은 새로운 기술을 구현하여 더 높은 정확도에 도달하는 원자시계를 설계하고 있다.

NIST는 몇 밀리미터 크기의 장치로 시간을 측정하는 소형화된 방법을 개발하기 위해 "칩 상의 NIST" 프로그램을 만들었다. 2004년 8월, NIST 과학자들은 일반 원자시계보다 100배 작고 의 훨씬 적은 전력을 소비하는 칩 스케일 원자시계를 시연했다. 이 원자시계는 쌀알 크기 정도였으며 약 9 GHz의 주파수를 가졌다. 이 기술은 2011년에 상용화되었다. 칩 하나 크기의 원자시계는 30밀리와트 미만의 전력을 필요로 한다.

원자시계의 정확도는 1950년대 최초의 시제품 이후 꾸준히 향상되어 왔다. 최초의 원자시계는 세슘, 루비듐, 수소 원자를 측정하는 방식을 기반으로 했다. 1959년부터 1998년까지 NIST는 NBS-1부터 NBS-6, 그리고 NIST-7까지 명명된 7개의 세슘-133 마이크로파 시계를 개발했다. 최초의 시계는 의 정확도를 가지고 있었고, 마지막 시계는 의 정확도를 가지고 있었다. 이 시계들은 제롤드 R. 자카리아스(Jerrold R. Zacharias)가 도입한 세슘 분수와 1978년 데이비드 J. 와인랜드(David J. Wineland)와 그의 동료들이 실증한 원자의 레이저 냉각을 최초로 사용했다.

원자시계 발전의 다음 단계는 의 정확도에서 및 의 정확도로 향상시키는 것이다. 목표는 시계가 우주의 나이 동안 1초 이상의 오차를 발생시키지 않을 정도로 정확해졌을 때, 1초를 재정의하는 것이다. 이를 위해 과학자들은 스트론튬과 이터븀, 그리고 광격자 기술을 사용하는 시계의 정확도를 입증해야 한다. 이러한 시계는 광학 시계라고도 불리는데, 사용되는 에너지 준위 전이는 광학 영역에 있으며(훨씬 더 높은 진동 주파수를 제공), 따라서 기존의 원자시계보다 훨씬 높은 정확도를 가지고 있다.

정확도의 원자시계 목표는 영국의 국립물리연구소(National Physical Laboratory)의 NPL-CsF2 세슘 분수 시계와 미국의 NIST-F2에서 처음 달성했다. NIST-F1에서 NIST-F2로의 정밀도 향상은 마이크로파 상호작용 영역의 액체 질소 냉각 때문이며, NIST-F1에서 가장 큰 불확실성의 원인은 따뜻한 챔버 벽에서 나오는 흑체 복사의 영향이다.

국제 원자시(TAI)에 기여하는 주요 및 보조 주파수 표준의 성능이 평가된다. 개별(주로 주요) 시계의 평가 보고서는 국제도량형국(BIPM, International Bureau of Weights and Measures)에 의해 [https://www.bipm.org/en/time-ftp/data 온라인으로 게시]된다.

5.1. 시계 메커니즘

원자시계는 두 가지 가능한 에너지 상태 중 하나에 있을 수 있는 원자 시스템을 기반으로 한다. 한 상태의 원자 그룹을 준비한 다음, 마이크로파 방사선을 쬐어 다른 에너지 상태로 전이시킨다. 방사선의 주파수가 원자의 고유 진동 주파수에 가까울수록 더 많은 원자가 상태를 바꾼다. 마이크로파 방사선이 최대 수의 원자가 상태를 바꾸는 알려진 주파수로 조정되면, 원자와 그에 따른 전이 주파수를 시간 측정 발진기로 사용하여 경과 시간을 측정할 수 있다.

모든 시간 측정 장치는 해시계의 지구 자전, 할아버지 시계의 추의 흔들림, 손목시계의 용수철과 기어의 진동 또는 석영 크리스털 시계의 전압 변화와 같이 시간을 정확하게 측정하기 위해 진동 현상을 사용한다. 그러나 이러한 것들은 모두 온도 변화의 영향을 쉽게 받으며 정확도가 높지 않다. 가장 정확한 시계는 시간을 추적하기 위해 원자 진동을 사용한다. 원자의 시계 전이 상태는 온도 및 기타 환경 요인에 영향을 받지 않으며, 진동 주파수는 다른 시계보다 훨씬 높다(마이크로파 주파수 영역 및 그 이상).

시계 성능에서 가장 중요한 요소 중 하나는 원자 선 품질 계수로, 공진의 절대 주파수($\backslash nu\_0$)와 공진 자체의 선폭($\backslash Delta\; \backslash nu$)의 비율로 정의된다. 원자 공진은 기계 장치보다 훨씬 높은 값을 가지며, 환경적 영향으로부터 훨씬 더 높은 수준으로 격리될 수 있다. 또한 원자시계는 원자가 보편적이라는 이점이 있는데, 이는 진동 주파수도 보편적임을 의미한다. 이는 보편적인 주파수를 갖지 않는 석영 및 기계식 시간 측정 장치와는 다르다.

시계의 품질은 정확도와 안정성이라는 두 가지 매개변수로 지정할 수 있다. 정확도는 시계의 똑딱거리는 속도가 고립된 원자 또는 이온의 고유 초미세 주파수와 같은 절대 표준과 일치하도록 할 수 있는 정도를 측정한 것이다. 안정성은 노이즈 및 기타 단기 변동의 영향을 줄이기 위해 시간에 따라 평균을 낼 때 시계가 수행하는 방식을 설명한다(정밀도).

원자시계의 불안정성은 앨런 편차($\backslash sigma\_y(\backslash tau)$)로 지정된다. 원자 또는 이온 계수 통계로 인한 제한 불안정성은 다음과 같이 주어지며, 선폭($\backslash Delta\; \backslash nu$)가 작고$\backslash sqrt\{N\}$(신호대잡음비)가 클 때 불안정성이 더 작다는 것을 의미한다.
: $$
\sigma_{y,\, {\rm atoms}}(\tau) \approx \frac{\Delta \nu}{\nu_0 \sqrt{N}} \sqrt{\frac{T_\text{c}}{\tau}},

여기서 $\backslash Delta\; \backslash nu$는 시계 시스템의 분광학적 선폭이고, $N$은 단일 측정에 사용되는 원자 또는 이온의 수이고, $T\_\backslash text\{c\}$는 한 주기의 소요 시간이고, $\backslash tau$는 평균 기간이다. 측정값의 평균을 내는 시간($\backslash tau$)이 초에서 시간, 일로 증가함에 따라 안정성이 향상된다. 안정성은 발진기 주파수($\backslash nu\_0$)의 영향을 가장 많이 받는다. 이것이 스트론튬 시계(429THz)와 같은 광 시계가 세슘 시계(9.19GHz)보다 훨씬 더 안정적인 이유이다.

순차적 질의를 사용하는 원자 분수 또는 광격자와 같은 최신 시계는 원자 또는 이온 계수에 고유한 불안정성을 모방하고 더하는 유형의 노이즈를 생성하는 것으로 나타났는데, 이를 딕 효과라고 한다. 이것은 별칭 효과인데, 국부 발진기(LO)의 고주파수 노이즈 구성 요소는 LO 주파수에 대한 피드백 감도의 반복적인 변화의 고조파에 의해 근사 0주파수로 이종 검출된다. 이 효과는 LO에 대해 새로운 엄격한 요구 사항을 적용한다. LO는 이제 높은 안정성 외에도 낮은 위상 잡음을 가져야 하므로 시스템의 비용과 복잡성이 증가한다. 플리커 주파수 노이즈가 있는 LO의 경우, 앨런 편차는 다음과 같이 근사할 수 있다.
: $\backslash sigma\_\{y,\backslash ,\{\backslash rm\; Dick\}\}(\backslash tau)\; \backslash approx\; \backslash frac\{\backslash sigma\_y^\{\backslash rm\; LO\}\}\{\backslash sqrt\{2\backslash ln(2)\}\}\; \backslash cdot\; \backslash left|\backslash frac\{\backslash sin(\backslash pi\; d)\}\{\backslash pi\; d\}\backslash right|\; \backslash cdot\; \backslash sqrt\{\backslash frac\{T\_c\}\{\backslash tau\}\}.$

($\backslash sigma\_y^\{\backslash rm\; LO\}(\backslash tau)$는 $\backslash tau$와 무관하고, 질의 시간은 $T\_i$이고, 도티 팩터 $d=T\_i/T\_c$는 일반적인 값

이 식은 $T\_c\; /\; \{\backslash tau\}$에 대한 $\backslash sigma\_\{y,\backslash ,\; \{\backslash rm\; atoms\}\}(\backslash tau)$와 같은 의존성을 보여주며, 많은 최신 시계의 경우 훨씬 더 크다. 광학 표준에 적용되는 효과 및 결과에 대한 분석은 "딕 효과의 해로운 영향"을 애도한 주요 검토(Ludlow 외, 2015) 및 다른 여러 논문에서 다루어졌다.

전통적인 라디오파 원자시계의 핵심은 기체를 포함하는 조정 가능한 마이크로파 공진기이다. 수소 마저 시계에서는 기체가 초미세 전이에서 마이크로파를 방출하고(메이저 작동한다), 공진기 내의 장이 진동하며, 최대 마이크로파 진폭을 위해 공진기가 조정된다. 또는 세슘 또는 루비듐 시계에서는 빔 또는 기체가 마이크로파를 흡수하고 공진기에는 진동을 일으키는 전자 증폭기가 포함되어 있다. 두 유형 모두에서 기체 내의 원자는 공진기에 채우기 전에 하나의 초미세 상태로 준비된다. 두 번째 유형의 경우 초미세 상태를 변경하는 원자의 수가 감지되고 감지된 상태 변화가 최대가 되도록 공진기가 조정된다.

시계의 복잡성 대부분은 이 조정 과정에 있다. 이 조정은 다른 전자 전이로 인한 주파수, 온도 변화, 도플러 확장을 포함한 분자의 진동으로 인한 주파수 확산과 같은 원치 않는 부작용을 수정하려고 시도한다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 마이크로파 발진기의 주파수를 좁은 범위에서 스윕하여 검출기에서 변조된 신호를 생성하는 것이다. 그런 다음 검출기의 신호를 복조하여 라디오 주파수의 장기 드리프트를 제어하기 위한 피드백을 적용할 수 있다.

이러한 방식으로 세슘의 원자 전이 주파수의 양자역학적 특성을 사용하여 소량의 실험 오차를 제외하고 마이크로파 발진기를 동일한 주파수로 조정할 수 있다. 시계를 처음 켜면 발진기가 안정화되는 데 시간이 걸린다. 실제로 피드백 및 모니터링 메커니즘은 훨씬 더 복잡하다.

포획 이온 또는 분수 시계와 같은 마이크로파 시계와 격자 시계와 같은 광 시계를 포함한 많은 최신 시계는 위에서 설명한 주파수 변조 질의가 아니라 순차적 질의 프로토콜을 사용한다. 순차적 질의의 장점은 밀리초가 아닌 수초의 울림 시간을 가진 훨씬 더 높은 Q를 수용할 수 있다는 것이다. 이러한 시계는 일반적으로 원자 또는 이온 집단이 분석되고, 갱신되고, 적절한 양자 상태로 구동된 후, 아마도 1초 정도의 시간 동안 국부 발진기(LO)의 신호로 질의되는 대기 시간을 갖는다. 그런 다음 원자의 최종 상태 분석을 사용하여 LO 주파수를 원자 또는 이온의 주파수에 고정시키는 보정 신호를 생성한다.

5.2. 정확도와 안정성

원자 시계의 정확도는 시계의 똑딱거리는 속도가 절대 표준과 얼마나 일치하는지를 나타낸다. 안정성은 노이즈 및 기타 단기적인 변동의 영향을 줄이기 위해 시간이 지남에 따라 평균을 낼 때 시계가 얼마나 잘 작동하는지를 설명한다.

원자 시계의 불안정성은 앨런 편차로 나타낼 수 있다. 순차적 질의를 사용하는 최신 원자 시계에서는 딕 효과라는 노이즈 현상이 발생한다.

1990년대 이후 레이저와 광주파수 빗 같은 기술 발전으로 원자 시계의 정확도가 크게 향상되었다. 2010년에는 NIST에서 알루미늄 이온을 사용한 "양자 논리" 광 시계를 시연하여 의 정밀도를 달성했다. 이후, 이테르븀, 수은, 알루미늄, 스트론튬 등을 기반으로 한 광 시계 연구가 활발히 진행되었다. 2019년 NIST는 단일 알루미늄 이온을 측정하여 의 주파수 불확실성을 가진 양자 논리 시계를 개발했다.

측정학자들은 이온 트랩과 광빗과 같은 새로운 기술을 통해 더 높은 정확도를 가진 원자 시계를 설계하고 있다.

6. 국제 시간 관리

국가 연구소들은 다양한 시계를 운영하며, 이 시계들은 독립적으로 작동한다. 측정값들을 결합하여 개별 시계보다 안정적이고 정확한 척도를 생성하는데, 이를 통해 실험실 내 시계 간 시간 비교가 가능하다. 이러한 원자시 척도는 보통 실험실 k에 대해 TA(k)로 불린다.

협정 세계시(UTC)는 전 세계 국가 연구소의 시계들을 국제원자시(TAI)와 비교하고 필요에 따라 윤초를 추가하여 얻는다. TAI는 약 80개 기관의 450개 시계의 가중 평균이다. TAI의 상대적 안정성은 약 10^-16이다.

TAI 발표 전, 다양한 1차 및 2차 주파수 표준에서 SI 초와 비교한다. 등중력 포텐셜과 지구 회전 지오이드 사이 거리에 따라 달라지는 1차 표준 위치에 상대론적 보정을 적용해야 한다. 회전 지오이드 값과 TAI는 매달 조금씩 변하며, 이는 [https://www.bipm.org/en/time-ftp/circular-t BIPM Circular T 간행물]에서 확인할 수 있다. TAI 시간 척도는 몇 주 정도 지연된다.

TAI는 일상에서 사용되지 않고, 지구 자전을 보정하기 위해 윤초를 더하거나 빼서 UTC를 생성한다. 윤초는 본초자오선(그리니치)에서의 평균 태양시 정오가 UTC 정오로부터 0.9초 이상 벗어나지 않도록 변경된다.

국가 계량 기관은 UTC의 근사값인 UTC(k)를 유지하며, 이는 국제 도량형국(BIPM)의 시간 및 주파수 자문위원회에서 배포한다. UTC-UTC(k) 오프셋은 5일마다 계산되어 매달 발표된다. 원자 시계는 UTC(k)를 최대 100나노초 이내로 기록한다. 일부 국가에서 UTC(k)는 라디오, 텔레비전, 전화, 인터넷, 광섬유 케이블, 시간 신호 송신기, 음성 시계를 통해 배포되는 법적 시간이다. 또한 전 세계 항법 위성 시스템(GNSS)은 수십 나노초 또는 그보다 더 정확한 시간 정보를 제공한다.

6.1. 시간 표준

여러 국가의 계량학 연구소에서는 원자시계를 유지 관리한다. 여기에는 프랑스의 파리 천문대, 독일의 독일 연방 물리 기술 연구소(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB), 미국의 콜로라도주와 메릴랜드주에 있는 미국 표준 기술 연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST), 콜로라도 볼더 대학교의 JILA, 영국의 영국표준연구소(National Physical Laboratory, NPL), 러시아 과학 아카데미 물리 공학 및 무선 계량학 전연구소(All-Russian Scientific Research Institute for Physical-Engineering and Radiotechnical Metrology) 등이 포함된다. 이 연구소들은 세슘 133의 전이 주파수와의 관계가 알려진 주파수로 전기적 진동을 생성하는 주파수 표준을 설계하고 제작하여 매우 낮은 불확실성을 달성한다. 이러한 1차 주파수 표준은 원자 운동과 관련된 상대론적 도플러 효과 이동, 환경의 열복사(흑체 이동) 및 기타 여러 요인을 포함한 다양한 주파수 이동을 추정하고 보정한다. 현재 최고의 1차 표준은 분의 1에 가까운 불확실성으로 SI 단위계의 초를 생성한다.

이 수준의 정확도에서는 장치의 중력장의 차이를 무시할 수 없다는 점에 유의해야 한다. 따라서 특정 지점에서 고유 시간을 제공하기 위해 일반 상대성 이론의 틀에서 표준을 고려한다.

국제 도량형국(International Bureau of Weights and Measures, BIPM)은 초의 https://www.bipm.org/en/publications/mises-en-pratique/standard-frequencies 보조 표현으로 사용되는 주파수 목록을 제공한다. 이 목록에는 루비듐 마이크로파 전이 및 중성 원자와 단일 이온 포획을 포함한 다른 광학 전이에 대한 주파수 값과 각각의 표준 불확실성이 포함되어 있다. 이러한 2차 주파수 표준은 분의 1만큼 정확할 수 있지만, 목록의 불확실성은 분의 1~분의 1이다. 이는 2차 표준이 보정되는 중앙 세슘 표준의 불확실성이 분의 1~분의 1이기 때문이다.

1차 주파수 표준은 국가 연구소에서 사용되는 다른 시계의 주파수를 보정하는 데 사용할 수 있다. 이러한 시계는 일반적으로 장기간 주파수 안정성이 매우 우수한 상용 세슘 시계이며, 몇 달 동안 분의 1보다 나은 안정성으로 주파수를 유지한다. 1차 표준 주파수의 불확실성은 분의 1 정도이다.

원자 수소의 1.4 GHz 초미세 전이에 의존하는 수소 메이저도 시간 계량학 연구소에서 사용된다. 메이저는 단기 주파수 안정성 측면에서 모든 상용 세슘 시계를 능가한다. 과거에는 하루 미만의 기간(몇 시간의 평균 시간 동안 정도의 주파수 안정성)에 걸쳐 안정적인 기준이 필요한 모든 응용 프로그램에 이러한 기기를 사용했다. 일부 활성 수소 메이저는 시간에 따라 약간 예측 가능한 주파수 드리프트를 가지고 있기 때문에 국제 원자시를 구현하는 BIPM의 상용 시계 집합의 중요한 부분이 되었다.

6.2. 위성과의 동기화

전 세계 항법 위성 시스템(GNSS)은 원자 시계를 사용하여 시간 신호를 방송한다. 미국의 GPS(Global Positioning System), 러시아의 글로나스(GLONASS), 유럽 연합의 갈릴레오(Galileo), 중국의 베이더우 시스템이 대표적이다. 이 시스템들은 모두 원자시계를 사용하여 매우 정밀한 시간 정보를 제공한다.

GPS 시간(GPST)은 국제 원자시(TAI)와 19초의 일정한 오차를 유지한다. 갈릴레오는 2016년 12월 15일부터 초기 운영 능력(EOC)을 제공하기 시작했다.

측정학 연구소에서는 수신기를 통해 여러 위성으로부터 신호를 동시에 수신하고, 두 주파수로 전송되는 신호를 사용하여 지역 시간 척도와 GNSS 시스템 시간 간의 차이를 15ns 이내의 불확실성으로 결정할 수 있다. 이러한 시간 비교 방법은 특수 상대성 이론과 일반 상대성 이론의 효과를 수 나노초의 차이로 보정해야 한다.

6.3. 국제원자시 (TAI)

협정 세계시(UTC)는 전 세계 국가 연구소의 시계들을 국제원자시(TAI)와 비교한 다음 필요에 따라 윤초를 추가하여 얻는다. TAI는 약 80개의 시간 기관에 있는 약 450개의 시계의 가중 평균이다. TAI의 상대적 안정성은 약 분의 1이다.

TAI가 발표되기 전, 결과의 주파수는 다양한 1차 및 2차 주파수 표준에서 SI 초와 비교된다. 이를 위해서는 등중력 포텐셜과 지구의 회전 지오이드 사이의 거리에 따라 달라지는 1차 표준의 위치에 상대론적 보정을 적용해야 한다. 회전 지오이드의 값과 TAI는 매달 약간씩 변하며 [https://www.bipm.org/en/time-ftp/circular-t BIPM Circular T 간행물]에서 확인할 수 있다. TAI 시간 척도는 전 세계 원자 시계의 평균이 계산됨에 따라 몇 주 정도 지연된다.

TAI는 일상적인 시간 측정에는 사용되지 않는다. 대신, 지구의 자전을 보정하기 위해 정수 개의 윤초를 더하거나 빼서 UTC를 생성한다. 윤초의 개수는 본초자오선(그리니치)에서의 평균 태양시 정오가 UTC 정오로부터 0.9초 이상 벗어나지 않도록 변경된다.

6.4. 광섬유

국제 원자시(TAI)에 기여하는 주요 및 보조 주파수 표준의 성능이 평가된다. 개별(주로 주요) 시계의 평가 보고서는 국제도량형국(BIPM)에 의해 [https://www.bipm.org/en/time-ftp/data 온라인으로 게시]된다.

다음 단계에서 이러한 연구소들은 광섬유 케이블을 통해 가시광선 스펙트럼에서 비교 신호를 전송하여 실험용 광 시계를 광 시계 자체의 예상 정확도와 유사한 정확도로 비교할 수 있도록 노력하고 있다. 일부 연구소에서는 이미 광섬유 링크를 구축했으며 파리와 테딩턴, 파리와 브라운슈바이크 간 구간에서 테스트를 시작했다. 실험용 광 시계 간 광섬유 링크는 미국 [[NIST](미국표준기술연구소)] 연구소와 협력 연구소 [[JILA](JILA)] 사이에도 존재하지만, 이는 유럽 네트워크보다 훨씬 짧은 거리이고 단 두 개의 연구소 사이에만 있다. PTB의 물리학자 프리츠 리엘레(Fritz Riehle)에 따르면, "유럽은 세계 최고의 시계가 고밀도로 분포되어 있어 독특한 위치를 차지하고 있다"고 한다.

2016년 8월, 파리의 프랑스 LNE-SYRTE와 브라운슈바이크의 독일 PTB는 파리와 브라운슈바이크에서 두 개의 완전히 독립적인 실험용 스트론튬 격자 광 시계의 비교 및 일치를 의 불확실성으로 보고했는데, 이는 파리와 브라운슈바이크를 연결하는 새롭게 구축된 위상 일관성 주파수 링크를 사용하여 1415km의 통신 광섬유 케이블을 사용한 결과이다. 전체 링크의 분율 불확실성은 로 평가되어 더욱 정확한 시계의 비교가 가능해졌다.

2021년, NIST는 콜로라도주 볼더에 있는 NIST 연구소, 협력 연구소 JILA, 콜로라도 대학교에 위치한 일련의 실험용 원자 시계에서 약 1.5km 떨어진 곳에서 전송된 신호를 공기와 광섬유 케이블을 통해 의 정밀도로 비교했다.

7. 응용 분야

원자 시계는 정밀한 전 세계 및 지역 항법 위성 시스템과 인터넷 응용 프로그램 등 여러 과학적, 기술적 발전에 크게 기여했다. 시간 신호 무선 송신기 설치 장소와 장파 및 중파 방송국의 정밀한 반송 주파수 전송에 사용된다. 전파 천문학의 장기선 간섭계 등 다양한 과학 분야에도 활용된다.

일반 상대성 이론에 따르면 중력장이 깊을수록 시계가 느리게 가는데, 이러한 중력 적색편이 효과는 잘 입증되었다. 원자 시계는 점점 더 작은 규모에서 일반 상대성 이론을 검증하는 데 효과적이다. 1999년부터 2014년까지 12개 원자 시계를 관측한 프로젝트는 아인슈타인의 일반 상대성 이론이 작은 규모에서도 정확함을 보여주었다.

2021년 JILA(Joint Institute for Laboratory Astrophysics) 연구팀은 100나노켈빈으로 냉각된 스트론튬 광시계를 사용하여 1밀리미터 간격으로 분리된 두 원자층 간 시간 흐름 차이를 정밀하게 측정했다. 원자 시계는 일반 상대성 이론과 양자 역학이 시간에 미치는 영향을 동시에 확인하는 데 사용될 수 있다.

원자 시계는 특히 고주파 매매에서 거래 기록을 밀리초 이하 정확도로 기록한다. 정확한 시간 측정은 불법 거래를 방지하고, 전 세계 거래자들에게 공정성을 보장한다. 현재 NTP 시스템은 밀리초 정확도까지만 제공한다.

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원자와 분자는 스펙트럼 흡수선·휘선(특정 주파수 전자파 흡수·방출 성질 또는 그 주파수)을 가지며, 수정발진자보다 고정밀 주파수 표준이 된다. 주파수는 시간의 역수이므로, 고정밀 시간 측정이 가능하다. SI 단위계의 초 정의도 이 성질을 이용한다.

원자 시계 기반 정확한 시간 정보는 표준 전파로 방송되며, 전파 시계는 이 전파를 수신하여 쿼츠 시계 오차를 수정한다.

원자 시계 종류는 다음과 같다.

고정밀 시계는 길이 측정에 필수적이다. 현재는 레이저로 길이를 정확히 측정한다 (이전 백금·이리듐 합금 미터 원기는 온도, 마모 문제 존재).

전파에서 정확한 주파수 동조도 가능해졌다.

시간, 길이, 주파수는 무게와 전기 측정에 필요하다.

GPS 위성에는 원자 시계가 탑재되어 정확한 전파로 위치를 나타낸다.

구글 등 국제 서비스 및 달력, 시각 서비스 기업은 정확한 시계가 필요하며, 각국 데이터 센터에 원자 시계를 설치한다.

8. 윤초

원자 시계의 발달로 지구 자전에 의한 하루의 길이(LOD: Length of Day)를 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 1초의 길이는 1820년경의 LOD를 기준으로 정의되었기 때문에, 세슘 원자의 전이 주파수(9,192,631,770주기)를 기반으로 한 초의 정의와 일치하지 않게 되었다. 따라서 몇 년에 한 번 윤초를 삽입하여 시간 조정을 하고 있다.

9. 미래

원자 시계의 정확도는 1950년대 최초의 시제품 이후 꾸준히 향상되어 왔다. 1990년대 레이저와 광주파수 빗과 같은 기술 발전은 원자 시계의 정확도 향상으로 이어졌다.

2010년 NIST에서 알루미늄 이온을 사용하여 의 정밀도를 달성한 "양자 논리" 광 시계는 세슘 시계의 정밀도를 넘어선 최초의 발전이었다. 이후 과학자들은 이터븀, 수은, 알루미늄, 스트론튬을 기반으로 한 시계를 개발했다. 2015년 JILA의 과학자들은 의 주파수 정밀도를 가진 스트론튬 시계를 시연했고, 2019년 NIST 과학자들은 의 주파수 불확실성을 가진 양자 논리 시계를 개발했다.

2021년 9월, JILA는 떨어져 있는 원자 앙상블 간의 미분 주파수 정밀도가 인 광 스트론튬 시계를 시연했다.

측정학자들은 현재(2022년) 이온 트랩과 광빗과 같은 새로운 기술을 구현하여 더 높은 정확도에 도달하는 원자시계를 설계하고 있다.

정확도 향상 외에도, 2004년 8월 NIST 과학자들은 일반 원자시계보다 100배 작고 의 훨씬 적은 전력을 소비하는 칩 스케일 원자시계를 시연하여 원자시계를 사용할 수 있는 장소의 수를 늘렸다.

원자시계 발전의 다음 단계는 의 정확도에서 및 의 정확도로 향상시키는 것이다. 목표는 시계가 우주의 나이 동안 1초 이상의 오차를 발생시키지 않을 정도로 정확해졌을 때, 1초를 재정의하는 것이다.

광 시계 분야가 성숙되는 2030년이나 2034년경에는 초가 재정의될 것으로 예상된다. 이를 위해서는 광 시계가 이상의 정확도로 주파수를 일관되게 측정할 수 있어야 한다.

* 시계의 정확도가 높아지면 상대성이론에 따라 시계가 있는 위치의 속도, 중력, 전자기장이 정밀도에 크게 영향을 미치게 된다.
* 물리학의 기본량(광속 c, 플랑크 상수 h, 기본 전하량 e, 만유인력 상수 G, 미세 구조 상수 α 등)을 정확하게 결정할 수 있다.
* 상대성이론과 양자역학을 통합·조정할 가능성이 있다.