Physiker haben Zeit- und Frequenzinformationen über eine Distanz von mehr als 100 km im freien Raum übertragen und damit den bisherigen Rekord weit übertroffen. Die Technik, die es ermöglicht, optische Uhren in Umgebungen zu synchronisieren und zu überwachen, in denen glasfaserbasierte Verbindungen unpraktisch sind, könnte verwendet werden, um höhere Standards für Messtechnik, Navigation und Positionsbestimmung zu setzen. Es hat auch Anwendungen für grundlegende physikalische Studien wie die Suche nach dunkler Materie, die Neudefinition von Fundamentalkonstanten und das Testen der Relativitätstheorie.
Eine optische Uhr hat drei Hauptkomponenten. Die erste ist eine Probe von Atomen oder Ionen, die bei einer wohldefinierten und hochstabilen Referenzfrequenz im optischen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen Energieniveaus wechseln. Das zweite Element ist ein Rückkopplungssystem, das den Ausgang eines Lasers (als Lokaloszillator bezeichnet) auf diese Referenzfrequenz „einrastet“. Die dritte Komponente liefert eine sehr genaue Messung der Frequenz des Lasers, normalerweise über ein Gerät, das als optischer Frequenzkamm (OFC) bekannt ist.
Eine Sekunde in 100 Milliarden Jahren
In der neuen Arbeit führten Forscher durch Jianwei-Pfanne dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Universität für Wissenschaft und Technologie von China demonstrierte die Zeit-Frequenz-Ausbreitung zwischen einem Rückkopplungssystem und einem OFC, die durch eine rekordverdächtige Entfernung von 113 km getrennt waren. Nach 10 Sekunden betrug die Frequenzinstabilität der Uhr weniger als 000 × 4-19, was impliziert, dass die Uhr ist Vergleich Fehler würden nach 100 Milliarden Jahren innerhalb einer Sekunde gehalten werden. Die Forscher stellen fest, dass dieser Wert die Benchmark übertrifft, die erforderlich ist, um die grundlegende Einheit der Sekunde neu zu definieren, die auf der Generalkonferenz für Maß und Gewicht 2026 diskutiert werden soll.
Frühere Versuche zur Verbreitung von Zeit und Frequenz im freien Raum mit solch hoher Präzision reichten nicht über Dutzende von Kilometern hinaus, was den Forschern zufolge für eine hochpräzise Übertragung in Satelliten-Boden-Verbindungen nicht ausreicht. „Diese Arbeit ebnet den Weg zur Satelliten-Boden-Zeit-Frequenz-Verbreitung“, sagt Pan, „und wir gehen davon aus, dass Langstrecken-Freiraum-OFC-Verbindungen in Kombination mit faserbasierten und satellitenbasierten Zeit-Frequenz-Verbindungen an Bedeutung gewinnen werden Teile zukünftiger optischer Taktnetzwerke.“
Die Forscherinnen und Forscher, die über ihre Arbeit berichten Natur, planen nun die Entwicklung eines quantenwissenschaftlichen Experimentsatelliten von der mittleren Erdumlaufbahn zur geosynchronen äquatorialen Umlaufbahn (MEO-zu-GEO), der sowohl einen auf GEO-Satelliten basierenden optischen Frequenzstandard als auch eine Satelliten-Boden-Zeit-Frequenz-Übertragung realisieren kann. „Wir hoffen, dass dieses System eine Zeit-Frequenz-Instabilität von weniger als 5×10 hat-18 bei 10 000 Sekunden“, sagt Pan. „Bidirektionale Vergleichsverbindungen werden mit der Station in China, mit der wir für diese Studie zusammengearbeitet haben, und der Überseestation hergestellt, um einen interkontinentalen Vergleich optischer Uhren zu realisieren. Dieser Satellit soll 2026 starten.“
