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原子钟基于可能处于两种可能能量状态之一的原子系统。准备好一组处于一种状态的原子，然后进行微波辐射。如果辐射的频率正确，许多原子将转变为另一种能态。频率越接近原子的固有振荡频率，越多的原子将切换状态。这允许非常准确地调谐微波辐射的频率。一旦将微波辐射调整到已知频率，它就可以用作计时振荡器来测量经过的时间。

少数国家计量实验室，如LNE SYRTE、PTB、NIST、JILA、NPL和VNIIFTRI以极高的精度实现时间。他们通过设计和构建频率标准来做到这一点，该标准在与铯 133 的跃迁频率的关系已知的频率下产生电振荡，以实现非常低的不确定性。这些主要频率标准估计和校正各种频率偏移，包括与原子运动、热辐射相关的相对论多普勒偏移环境（黑体位移）和其他几个因素。目前好的初级标准产生 SI 秒，其精度接近一个部分的不确定性10的16次幂。

需要注意的是，在这个级别的精度下，设备中引力场的差异是不容忽视的。然后在广义相对论的框架内考虑该标准，以在特定点提供适当的时间。

BIPM 提供了一个频率列表，作为第二个的次要表示。此列表包含铷微波跃迁和其他光学跃迁（包括中性原子和单个俘获离子）的频率值和各自的标准不确定度。这些次要频率标准可以像一个部分一样准确10的18次幂，然而，列表中的不确定性是10的14次幂 –10的16次幂。这是因为用于校准二级标准的中央铯标准的不确定性是其中的一部分10的14次幂 –10的16次幂。

主要频率标准可用于校准国家实验室使用的其他时钟的频率。这些通常是商业铯钟，具有非常好的长期频率稳定性，保持频率稳定性优于 1 分之一。10的14次幂几个月。主要标准频率的不确定性约为10的13次幂。

依赖于原子氢上的 1.4 GHz 超精细跃迁的氢微波激射器也用于时间计量实验室。Masers 在短期频率稳定性方面优于任何商业铯钟。传统上，这些仪器已用于所有需要在不到一天的时间段内稳定参考的应用（频率稳定性约为十分之一，平均时间为几小时）。由于一些活性氢脉泽随时间具有适度但可预测的频率漂移，因此它们已成为 BIPM 实施国际原子时的商业时钟集合的重要组成部分。