Fysikere har overført information om tid og frekvens over en afstand på mere end 100 km i frit rum, hvilket langt overstiger den tidligere rekord. Teknikken, som gør det muligt at synkronisere og overvåge optiske ure i miljøer, hvor fiberoptiske forbindelser er upraktiske, kunne bruges til at sætte højere standarder for metrologi, navigation og positionering. Det har også applikationer til grundlæggende fysikstudier såsom at søge efter mørkt stof, omdefinere fundamentale konstanter og teste relativitet.
Et optisk ur har tre hovedkomponenter. Den første er en prøve af atomer eller ioner, der skifter mellem energiniveauer ved en veldefineret og meget stabil referencefrekvens i det optiske område af det elektromagnetiske spektrum. Det andet element er et feedbacksystem, der "låser" outputtet fra en laser (kaldet lokaloscillatoren) til denne referencefrekvens. Den tredje komponent giver en meget præcis måling af laserens frekvens, normalt via en enhed kendt som en optisk frekvenskam (OFC).
Et sekund på 100 milliarder år
I det nye arbejde har forskere ledet af Jianwei Pan af Kinas universitet for videnskab og teknologi demonstreret tids-frekvens spredning mellem et feedbacksystem og en OFC adskilt af en rekordstor distance på 113 km. Efter 10 sekunder var urets frekvensustabilitet mindre end 000×4-19, hvilket indebærer, at uret er sammenligning fejl ville blive holdt inden for et sekund efter 100 milliarder år. Forskerne bemærker, at denne værdi overgår det benchmark, der kræves for at omdefinere den grundlæggende enhed af den anden, som skal diskuteres på 2026 General Conference on Weights and Measures.
Tidligere forsøg på frirumspredning af tid og frekvens med så høj præcision strakte sig ikke ud over snesevis af kilometer, hvilket forskerne bemærker er utilstrækkeligt til højpræcisionstransmission i satellit-til-jordforbindelser. "Dette arbejde åbner vejen til satellit-jord-tidsfrekvensspredning," siger Pan, "og vi forventer, at langdistance-frirum OFC-forbindelser, kombineret med fiberbaserede og satellitbaserede tidsfrekvensforbindelser, vil blive vigtige dele af fremtidige optiske urnetværk."
Forskerne, der rapporterer deres arbejde i Natur, planlægger nu at udvikle en kvantevidenskabs-eksperimentsatellit fra Medium Earth Orbit-to-Geosynchronous Equatorial Orbit (MEO-til-GEO), der kan realisere både en GEO-satellitbaseret optisk frekvensstandard og satellit-jord-tidsfrekvensoverførsel. "Vi håber, at dette system vil have en tidsfrekvens-ustabilitet på mindre end 5×10-18 på 10 sekunder,” siger Pan. "Tovejs sammenligningsforbindelser er ved at blive etableret med den station i Kina, vi arbejdede med til denne undersøgelse, og den oversøiske station for at realisere en interkontinental optisk ursammenligning. Denne satellit er planlagt til at blive opsendt i 000."
