Atomic clocks have been transformational in science and technology, leading to innovations such as global positioning, advanced communications, and tests of fundamental constant variation. Next-generation optical atomic clocks can extend the capability of these timekeepers, where researchers have long aspired toward measurement precision at 1 part in $\bm{10^{18}}$. This milestone will enable a second revolution of new timing applications such as relativistic geodesy, enhanced Earth- and space-based navigation and telescopy, and new tests on physics beyond the Standard Model. Here, we describe the development and operation of two optical lattice clocks, both utilizing spin-polarized, ultracold atomic ytterbium. A measurement comparing these systems demonstrates an unprecedented atomic clock instability of $\bm{1.6\times 10^{-18}}$ after only $\bm{7}$ hours of averaging.

The passage of time is tracked by counting oscillations of a frequency reference, such as Earth’s revolutions or swings of a pendulum. By referencing atomic transitions, frequency (and thus time) can be measured more precisely than any other physical quantity, with the current generation of optical atomic clocks reporting fractional performance below the 10−17 level1–5. However, the theory of relativity prescribes that the passage of time is not absolute, but is affected by an observer’s reference frame. Consequently, clock measurements exhibit sensitivity to relative velocity, acceleration and gravity potential. Here we demonstrate local optical clock measurements that surpass the current ability to account for the gravitational distortion of space-time across the surface of Earth. In two independent ytterbium optical lattice clocks, we demonstrate unprecedented values of three fundamental benchmarks of clock performance. In units of the clock frequency, we report systematic uncertainty of 1.4 × 10−18, measurement instability of 3.2 × 10−19 and reproducibility characterized by ten blinded frequency comparisons, yielding a frequency difference of [−7 ± (5)stat ± (8)sys] × 10−19, where ‘stat’ and ‘sys’ indicate statistical and systematic uncertainty, respectively. Although sensitivity to differences in gravity potential could degrade the performance of the clocks as terrestrial standards of time, this same sensitivity can be used as a very sensitive probe of geopotential5–9. Near the surface of Earth, clock comparisons at the 1 × 10−18 level provide a resolution of one centimetre along the direction of gravity, so the performance of these clocks should enable geodesy beyond the state-of-the-art level. These optical clocks could further be used to explore geophysical phenomena10, detect gravitational waves11, test general relativity12 and search for dark matter13–17. Improved techniques allow the measurement of a frequency difference with an uncertainty of the order of 10–19 between two independent atomic optical lattice clocks, suggesting that they may be able to improve state-of-the-art geodetic techniques.

Atomic clocks based on optical transitions are the most stable, and therefore precise, timekeepers available. These clocks operate by alternating intervals of atomic interrogation with dead time required for quantum state preparation and readout. This non-continuous interrogation of the atom system results in the Dick effect, an aliasing of frequency noise of the laser interrogating the atomic transition. Despite recent advances in optical clock stability achieved by improving laser coherence, the Dick effect has continually limited optical clock performance. Here we implement a robust solution to overcome this limitation: a zero-dead-time optical clock based on the interleaved interrogation of two cold-atom ensembles. This clock exhibits vanishingly small Dick noise, thereby achieving an unprecedented fractional frequency instability of $6 \times 10^{-17} / \sqrt{\tau}$ for an averaging time $\tau$ in seconds. We also consider alternate dual-atom-ensemble schemes to extend laser coherence and reduce the standard quantum limit of clock stability, achieving a spectroscopy line quality factor $Q> 4 \times 10^{15}$.

Abstract The recently concluded collaborative European project “Robust optical clocks for international timescales” (ROCIT) tackled some of the key challenges on the roadmap towards a redefinition of the SI second. This paper gives an overview of progress made on improving the robustness and automation of optical clocks and verifying their uncertainty budgets through coordinated international comparison campaigns. It also presents work on the incorporation of optical clocks into time scales, covering both their use to steer local physical time scales and their use for evaluations of hydrogen masers contributing data for the computation of International Atomic Time (TAI). The overall objective of the project was to bring European optical clocks to the stage where they could be operated routinely as secondary frequency standards, regularly contributing to TAI.

Abstract A full evaluation of the uncertainty budget for the ytterbium ion optical clock at the National Physical Laboratory (NPL) was performed on the electric octupole (E3)  2  S 1 / 2  → 2  F 7 / 2 transition. The total systematic frequency shift was measured with a fractional standard systematic uncertainty of 2.2 ×  10 − 18  . Furthermore, the absolute frequency of the E3 transition of the 171 Yb + ion was measured between 2019 and 2023 via a link to International Atomic Time (TAI) and against the local caesium fountain NPL-CsF2. The absolute frequencies were measured with fractional standard uncertainties between 3.7 ×  10 − 16  and 1.1 ×  10 − 15  , and all were in agreement with the 2021 BIPM recommended frequency.

Abstract In this paper, we present real-time optically steered time scales generated simultaneously at the Observatoire de Paris (OP) and the National Physical Laboratory (NPL). Throughout one month, experimental UTCx( k ) time scales were generated concurrently in the two laboratories alongside the local operational UTC( k ) time scales. The UTCx( k ) time scales were based on hydrogen masers whose frequencies were calibrated by local optical frequency standards using optical frequency combs, with algorithms being developed for outlier filtering and frequency steering estimations in the two laboratories. The performance of the experimental time scales was assessed through local comparisons against the corresponding UTC( k ) time scales, and also through remote comparisons performed both via Coordinated Universal Time (UTC) and by using the GPS Precise Point Positioning (PPP) technique. The two optically steered time scales remained within 4 ns of each other, outperforming the corresponding UTC( k ) over the same period. To our knowledge, this is the first reported comparison of two independent “optical time scale” prototypes, and the results demonstrate the capability of optical clocks to produce operational time scales.