Οι φυσικοί έχουν μεταφέρει πληροφορίες χρόνου και συχνότητας σε απόσταση μεγαλύτερη από 100 km σε ελεύθερο χώρο, υπερβαίνοντας κατά πολύ το προηγούμενο ρεκόρ. Η τεχνική, η οποία καθιστά δυνατό τον συγχρονισμό και την παρακολούθηση των οπτικών ρολογιών σε περιβάλλοντα όπου οι συνδέσεις που βασίζονται σε οπτικές ίνες δεν είναι πρακτικές, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τον καθορισμό υψηλότερων προτύπων για τη μετρολογία, την πλοήγηση και τον εντοπισμό θέσης. Έχει επίσης εφαρμογές για βασικές μελέτες φυσικής όπως η αναζήτηση της σκοτεινής ύλης, ο επαναπροσδιορισμός θεμελιωδών σταθερών και ο έλεγχος της σχετικότητας.
Ένα οπτικό ρολόι έχει τρία κύρια στοιχεία. Το πρώτο είναι ένα δείγμα ατόμων ή ιόντων που μεταβαίνουν μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων σε μια καλά καθορισμένη και εξαιρετικά σταθερή συχνότητα αναφοράς στην οπτική περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το δεύτερο στοιχείο είναι ένα σύστημα ανάδρασης που «κλειδώνει» την έξοδο ενός λέιζερ (που ονομάζεται τοπικός ταλαντωτής) σε αυτή τη συχνότητα αναφοράς. Το τρίτο εξάρτημα παρέχει μια πολύ ακριβή μέτρηση της συχνότητας του λέιζερ, συνήθως μέσω μιας συσκευής γνωστής ως χτένα οπτικής συχνότητας (OFC).
Ένα δευτερόλεπτο σε 100 δισεκατομμύρια χρόνια
Στη νέα εργασία, οι ερευνητές με επικεφαλής Τζιανγουέι Παν του Πανεπιστήμιο Επιστημών και Τεχνολογίας της Κίνας επέδειξε διάχυση χρόνου-συχνότητας μεταξύ ενός συστήματος ανάδρασης και ενός OFC που χωρίζεται από απόσταση ρεκόρ 113 km. Μετά από 10 000 δευτερόλεπτα, η αστάθεια συχνότητας του ρολογιού ήταν μικρότερη από 4×10-19, πράγμα που σημαίνει ότι το ρολόι σύγκριση τα λάθη θα διατηρούνταν μέσα σε ένα δευτερόλεπτο μετά από 100 δισεκατομμύρια χρόνια. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι αυτή η τιμή ξεπερνά το σημείο αναφοράς που απαιτείται για τον επαναπροσδιορισμό της θεμελιώδους μονάδας της δεύτερης, η οποία πρόκειται να συζητηθεί στη Γενική Διάσκεψη του 2026 για τα Βάρη και τα Μέτρα.
Προηγούμενες προσπάθειες για τη διάδοση του χρόνου και της συχνότητας σε ελεύθερο χώρο με τόσο υψηλή ακρίβεια δεν εκτείνονταν πέρα από δεκάδες χιλιόμετρα, κάτι που οι ερευνητές σημειώνουν ότι δεν επαρκούν για μετάδοση υψηλής ακρίβειας σε ζεύξεις δορυφόρου προς έδαφος. «Αυτή η εργασία ανοίγει το δρόμο για τη διάδοση συχνότητας χρόνου-συχνότητας δορυφόρου-εδάφους», λέει ο Παν, «και αναμένουμε ότι οι ζεύξεις OFC ελεύθερου χώρου μεγάλων αποστάσεων, σε συνδυασμό με συνδέσεις χρονικής συχνότητας βασισμένες σε ίνες και δορυφόρους, θα γίνουν σημαντικές μέρη μελλοντικών δικτύων οπτικού ρολογιού».
Οι ερευνητές, που αναφέρουν την εργασία τους στο Φύση, τώρα σχεδιάζουν να αναπτύξουν έναν δορυφόρο κβαντικού επιστημονικού πειράματος Medium Earth Orbit-to-Geosynchronous Equatorial Orbit (MEO-to-GEO) που μπορεί να πραγματοποιήσει τόσο ένα πρότυπο οπτικής συχνότητας βασισμένο σε δορυφόρο GEO όσο και μεταφορά χρόνου-συχνότητας δορυφόρου-εδάφους. «Ελπίζουμε ότι αυτό το σύστημα θα έχει αστάθεια χρόνου-συχνότητας μικρότερη από 5×10-18 στα 10 δευτερόλεπτα», λέει ο Παν. «Δημιουργούνται αμφίδρομοι σύνδεσμοι σύγκρισης με τον σταθμό στην Κίνα με τον οποίο συνεργαστήκαμε για αυτήν τη μελέτη και τον υπερπόντιο σταθμό για να πραγματοποιηθεί μια σύγκριση διηπειρωτικών οπτικών ρολογιών. Αυτός ο δορυφόρος σχεδιάζεται να εκτοξευθεί το 000».
