I fisici hanno trasferito informazioni su tempo e frequenza su una distanza di oltre 100 km nello spazio libero, superando di gran lunga il record precedente. La tecnica, che consente di sincronizzare e monitorare gli orologi ottici in ambienti in cui le connessioni basate su fibra ottica sono impraticabili, potrebbe essere utilizzata per stabilire standard più elevati per la metrologia, la navigazione e il posizionamento. Ha anche applicazioni per studi di fisica di base come la ricerca della materia oscura, la ridefinizione delle costanti fondamentali e la verifica della relatività.
Un orologio ottico ha tre componenti principali. Il primo è un campione di atomi o ioni che passano da un livello di energia a una frequenza di riferimento ben definita e altamente stabile nella regione ottica dello spettro elettromagnetico. Il secondo elemento è un sistema di feedback che "blocca" l'uscita di un laser (chiamato oscillatore locale) a questa frequenza di riferimento. Il terzo componente fornisce una misurazione molto precisa della frequenza del laser, solitamente tramite un dispositivo noto come pettine di frequenza ottico (OFC).
Un secondo in 100 miliardi di anni
Nel nuovo lavoro, i ricercatori guidati da Jianwei Pan della Università di Scienza e Tecnologia della Cina ha dimostrato la disseminazione tempo-frequenza tra un sistema di feedback e un OFC separati da una distanza record di 113 km. Dopo 10 secondi, l'instabilità della frequenza dell'orologio era inferiore a 000×4 all'19 ottobre, il che implica che l'orologio è confronto gli errori verrebbero mantenuti entro un secondo dopo 100 miliardi di anni. I ricercatori osservano che questo valore supera il benchmark necessario per ridefinire l'unità fondamentale del secondo, che dovrebbe essere discussa alla Conferenza generale su pesi e misure del 2026.
I precedenti tentativi di diffusione nello spazio libero del tempo e della frequenza con una precisione così elevata non si estendevano oltre le dozzine di chilometri, che i ricercatori notano non sono sufficienti per la trasmissione ad alta precisione nei collegamenti satellite-terra. "Questo lavoro apre la strada alla diffusione della frequenza temporale-terrestre satellitare", afferma Pan, "e prevediamo che i collegamenti OFC nello spazio libero a lungo raggio, combinati con i collegamenti tempo-frequenza basati su fibra e satellite, diventeranno importanti parti delle future reti di orologi ottici”.
I ricercatori, che riportano il loro lavoro in Natura, ora pianificano di sviluppare un satellite per esperimenti di scienza quantistica da orbita terrestre media a orbita equatoriale geosincrona (MEO-to-GEO) in grado di realizzare sia uno standard di frequenza ottica basato su satellite GEO sia un trasferimento di frequenza temporale satellite-terra. “Speriamo che questo sistema abbia un'instabilità tempo-frequenza inferiore a 5×10 all'18 ottobre a 10 secondi", afferma Pan. “Si stanno stabilendo collegamenti di confronto a due vie con la stazione in Cina con cui abbiamo lavorato per questo studio e la stazione all'estero per realizzare un confronto ottico intercontinentale dell'orologio. Questo satellite dovrebbe essere lanciato nel 000”.
