Since 1967 the primary time standard is the cesium atomic clock, based on a hyperfine transition in the microwave domain. The development of ultrastable laser sources now allows one to operate on electronic transitions in the optical domain, corresponding to a 5-order-of-magnitude increase in the clock frequency. This article reviews the spectacular accuracy and stability gains that can be obtained when working with laser cooled ions or neutral atoms. It also discusses some important applications of these optical clocks, from geodesy to tests of fundamental theories to many-body physics.

Optical atomic clocks promise timekeeping at the highest precision and accuracy, owing to their high operating frequencies. Rigorous evaluations of these clocks require direct comparisons between them. We have realized a high-performance remote comparison of optical clocks over kilometer-scale urban distances, a key step for development, dissemination, and application of these optical standards. Through this remote comparison and a proper design of lattice-confined neutral atoms for clock operation, we evaluate the uncertainty of a strontium (Sr) optical lattice clock at the 1 × 10 –16 fractional level, surpassing the current best evaluations of cesium (Cs) primary standards. We also report on the observation of density-dependent effects in the spin-polarized fermionic sample and discuss the current limiting effect of blackbody radiation–induced frequency shifts.

We demonstrate a scalable, integrated photonics infrastructure for optical atomic clocks. We laser cool and trap 4 × 10 5 87 Sr atoms in a magneto-optical trap, using metasurface optics and a compact, single-chamber vacuum system.