現代光學原子鐘有可能徹底改變基礎科學和應用科學的高精度測量。能夠實現地基和天基之間的光學原子鐘的遠端比較，將使基礎物理學和實際應用取得重大進展，包括測試基本常數的變異性、廣義相對論、暗物質搜尋、大地測量學和全球衛星導航系統等。這些努力建立在為微波原子鐘的時間尺度比較而開發的光學計時連結上，而且正在努力開發可部署在國際空間站和專用航天器上的光學時鐘。

同樣，移動地面光學鍾之間的時間標度比較，使廣義相對論的地面測試和區域性位勢測量能夠用於地球物理學、環境監測、測量和資源勘探的研究。

地面時鐘和空間時鐘的比較，以及移動地面時鐘的比較，都需要透過自由空間的光學鏈路進行頻率傳輸。就像在光纖鏈路上比較時間尺度一樣，自由空間頻率傳輸應該比光學時鐘有更好的剩餘不穩定性。然而，大氣湍流引起的相位噪聲比相同長度的光纖要大得多。此外，透過湍流大氣的自由空間連結還必須克服由於光束漂移和閃爍而產生的訊號振幅週期性深衰。

當光束的尺寸小於大氣湍流的尺度時，光束的質心可能會偏離探測器，而當光束的尺寸大於大氣湍流的尺度時，光束內部的破壞性干涉(散斑)會導致訊號的丟失(閃爍)，從而導致時間尺度的同步丟失。對於地面和空間之間的垂直連線，以及10公里量級的水平連線，這些深度衰減每秒可能發生10到100次​。

克服訊號深衰的一種方法是從一個光頻梳髮射一系列光脈衝，並在遠端與另一個光頻梳進行比較。雖然深衰減會導致一些脈衝的丟失，但可以從剩餘的脈衝中重構出時間和相位資訊。

另一種克服深衰的方法是透過主動校正發射和接收波前來穩定大氣湍流引起的空間噪聲​。一般來說，當使用與湍流尺度相比較小的光圈時，傾斜-傾斜校正就足夠了，因為光束漂移將主導深度衰減。對於大孔徑光闌，散斑閃爍的影響增加和高階校正使用自適應光學可能是必要的。用於原子鐘比較的光束漂移的傾斜穩定，先前已經在超過12公里的50毫米尺度光學和18公里的更大的250毫米望遠鏡上進行了演示。

部署自由空間連結的另一個實際問題是該系統獲取和跟蹤移動物體的能力。在這種情況下，傾斜能力是必需的，此外，這樣的系統必須是健壯的，同時也具有儘可能小的尺寸、重量和功率，以便於在航天器、機載中繼終端或移動地面段部署。​