Fysikere har overført informasjon om tid og frekvens over en avstand på mer enn 100 km i ledig plass, langt over den tidligere rekorden. Teknikken, som gjør det mulig å synkronisere og overvåke optiske klokker i miljøer der optisk fiberbaserte tilkoblinger er upraktiske, kan brukes til å sette høyere standarder for metrologi, navigasjon og posisjonering. Den har også applikasjoner for grunnleggende fysikkstudier som å søke etter mørk materie, redefinere grunnleggende konstanter og teste relativitet.
En optisk klokke har tre hovedkomponenter. Den første er en prøve av atomer eller ioner som går over mellom energinivåer ved en veldefinert og svært stabil referansefrekvens i det optiske området av det elektromagnetiske spekteret. Det andre elementet er et tilbakemeldingssystem som "låser" utgangen fra en laser (kalt lokaloscillatoren) til denne referansefrekvensen. Den tredje komponenten gir en svært presis måling av frekvensen til laseren, vanligvis via en enhet kjent som en optisk frekvenskam (OFC).
Ett sekund på 100 milliarder år
I det nye arbeidet har forskere ledet av Jianwei Pan av Universitetet for vitenskap og teknologi i Kina demonstrert tids-frekvensspredning mellom et tilbakemeldingssystem og en OFC atskilt med en rekordavstand på 113 km. Etter 10 000 sekunder var klokkens frekvensustabilitet mindre enn 4×10-19, som innebærer at klokken er sammenligning feil vil bli holdt innen ett sekund etter 100 milliarder år. Forskerne bemerker at denne verdien overgår referansen som kreves for å omdefinere den grunnleggende enheten til den andre, som skal diskuteres på 2026 General Conference on Weights and Measures.
Tidligere forsøk på friromspredning av tid og frekvens med så høy presisjon strakk seg ikke utover dusinvis av kilometer, noe forskerne bemerker er utilstrekkelig for høypresisjonsoverføring i satellitt-til-bakke-forbindelser. "Dette arbeidet åpner veien til satellitt-bakke-tidsfrekvensspredning," sier Pan, "og vi forventer at langdistanse OFC-forbindelser med ledig plass, kombinert med fiberbaserte og satellittbaserte tidsfrekvensforbindelser, vil bli viktige. deler av fremtidige optiske klokkenettverk."
Forskerne, som rapporterer om sitt arbeid i Natur, planlegger nå å utvikle en Medium Earth Orbit-to-Geosynchronous Equatorial Orbit (MEO-to-GEO) kvantevitenskapelig eksperimentsatellitt som kan realisere både en GEO satellittbasert optisk frekvensstandard og satellitt-bakke tidsfrekvensoverføring. "Vi håper dette systemet vil ha en tidsfrekvens-ustabilitet på mindre enn 5×10-18 på 10 000 sekunder, sier Pan. "Toveis sammenligningsforbindelser etableres med stasjonen i Kina vi jobbet med for denne studien og den oversjøiske stasjonen for å realisere en interkontinental optisk klokkesammenligning. Denne satellitten er planlagt lansert i 2026.»
