Natuurkundigen hebben tijd- en frequentie-informatie overgedragen over een afstand van meer dan 100 km in de vrije ruimte, veel meer dan het vorige record. De techniek, die het mogelijk maakt om optische klokken te synchroniseren en te bewaken in omgevingen waar op glasvezel gebaseerde verbindingen onpraktisch zijn, zou kunnen worden gebruikt om hogere normen te stellen voor metrologie, navigatie en positionering. Het heeft ook toepassingen voor elementaire natuurkundige studies, zoals het zoeken naar donkere materie, het herdefiniëren van fundamentele constanten en het testen van relativiteitstheorie.
Een optische klok heeft drie hoofdcomponenten. De eerste is een monster van atomen of ionen die overgaan tussen energieniveaus met een goed gedefinieerde en zeer stabiele referentiefrequentie in het optische gebied van het elektromagnetische spectrum. Het tweede element is een feedbacksysteem dat de uitvoer van een laser (de lokale oscillator genoemd) "vergrendelt" op deze referentiefrequentie. Het derde onderdeel zorgt voor een zeer nauwkeurige meting van de frequentie van de laser, meestal via een apparaat dat bekend staat als een optische frequentiekam (OFC).
Een seconde in 100 miljard jaar
In het nieuwe werk, onderzoekers onder leiding van Jianwei Pan van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China demonstreerde tijd-frequentieverspreiding tussen een feedbacksysteem en een OFC gescheiden door een recordafstand van 113 km. Na 10 seconden was de frequentie-instabiliteit van de klok minder dan 000×4-19, wat inhoudt dat de klok is vergelijking fouten zouden na 100 miljard jaar binnen een seconde worden bewaard. De onderzoekers merken op dat deze waarde de benchmark overtreft die nodig is om de fundamentele eenheid van de seconde opnieuw te definiëren, die zal worden besproken tijdens de Algemene Conferentie over Gewichten en Maatregelen in 2026.
Eerdere pogingen om tijd en frequentie in de vrije ruimte met zo'n hoge precisie te verspreiden, reikten niet verder dan tientallen kilometers, wat volgens de onderzoekers onvoldoende is voor zeer nauwkeurige transmissie in satelliet-naar-grondverbindingen. "Dit werk opent de weg naar satelliet-grond tijd-frequentie verspreiding," zegt Pan, "en we verwachten dat langeafstandsvrije OFC-verbindingen, gecombineerd met glasvezel- en satellietgebaseerde tijd-frequentieverbindingen, belangrijk zullen worden delen van toekomstige optische kloknetwerken.”
De onderzoekers, die hun werk rapporteren in NATUUR, nu van plan om een Medium Earth Orbit-to-Geosynchronous Equatorial Orbit (MEO-to-GEO) quantum science experiment-satelliet te ontwikkelen die zowel een GEO-satellietgebaseerde optische frequentiestandaard als satelliet-grond tijd-frequentieoverdracht kan realiseren. “We hopen dat dit systeem een tijd-frequentie-instabiliteit zal hebben van minder dan 5×10-18 op 10 seconden', zegt Pan. “Er worden tweerichtingsvergelijkingslinks tot stand gebracht met het station in China waarmee we voor deze studie hebben samengewerkt en het overzeese station om een intercontinentale optische klokvergelijking te realiseren. De lancering van deze satelliet is gepland in 000.”
