这项工作将在光学频率上运行的尖端实验室原子钟已经非常稳定地转移到微波频率上，目前用于校准电子设备。电子系统无法直接对光信号进行计数，因此NIST的技术和技术间接地将光钟的信号稳定性转移到微波域。该演示在2020年5月22日的《科学》杂志上进行了描述科学。

在他们的设置中，研究人员使用NIST的两个镱晶格时钟的“滴答声”来产生光脉冲，并使用频率梳作为齿轮将高频光脉冲准确地转换为低频微波信号。先进的光电二极管将光脉冲转换成电流，然后产生10千兆赫(GHz，即每秒10亿个周期)的微波信号，精确地跟踪时钟的滴答声，误差仅为1的1次方分之一(1后面跟着18个零)。这种性能水平与光学时钟相当，比最好的微波源稳定100倍。

“多年的研究，包括NIST的重要贡献，已经产生了高速光电探测器，现在可以将光时钟稳定性转移到微波域，”首席研究员弗兰克昆兰说。“第二个主要的技术改进是高精度地直接跟踪微波，并结合了信号放大方面的大量专业知识。”

光波的周期比微波短、快，所以它们的形状不同。在将稳定的光波转换为微波的过程中，研究人员跟踪了相位——波的确切时间——以确保它们是相同的，并且不会相互移动。该实验以一个周期的百万分之一的分辨率跟踪了相位的变化。

研究小组负责人克里斯·奥茨说:“在这个领域，微波稳定性翻倍可能需要几年或几十年的时间才能实现。”“好一百倍几乎是深不可测的。”

昆兰说，NIST系统的一些组件，如频率梳和探测器，现在已经准备好用于现场应用。但NIST的研究人员仍在致力于将最先进的光学时钟转移到移动平台上。镱原子钟的工作频率为518太赫兹(每秒万亿周期)，目前在高度控制的实验室环境中占据着大桌子。

超稳定的电子信号可以支持广泛的应用，包括未来电子钟的校准，例如由振荡石英晶体供电的电子设备。这是重新定义国际时间标准的一个重要考虑因素，SI秒现在基于传统时钟中铯原子吸收的微波频率。在未来几年，国际科学界有望选择一种新的时间标准，该标准基于其他原子(如镱)吸收的光频率。超级稳定的信号还可以使无线通信系统更加可靠。

光学衍生的电子信号可以使成像系统更加灵敏。雷达的灵敏度，特别是对于缓慢移动的物体，现在受到微波噪声的限制，可以大大提高。NIST和弗吉尼亚大学合作生产的新型光电二极管比以前的设计更可预测地将光信号转换为微波信号，并且噪音更低。此外，微波可以携带来自遥远光学时钟的信号，用于导航和基础物理研究。

天文成像和测量地球引力形状的相对论大地测量学，现在都是基于探测世界各地接收器上的微波信号，并将它们组合成物体的图像。这些接收器的远程校准可以使网络从地球移动到太空成为可能，这将提高图像分辨率并避免限制观测时间的大气扭曲。通过数小时而不是几秒钟的观察时间，研究人员可以对更多的物体进行成像。