Fizycy przesłali informacje o czasie i częstotliwości na odległość ponad 100 km w wolnej przestrzeni, znacznie przekraczając poprzedni rekord. Technika, która umożliwia synchronizację i monitorowanie zegarów optycznych w środowiskach, w których połączenia światłowodowe są niepraktyczne, może zostać wykorzystana do ustanowienia wyższych standardów metrologii, nawigacji i pozycjonowania. Ma również zastosowania w podstawowych badaniach fizycznych, takich jak poszukiwanie ciemnej materii, redefinicja podstawowych stałych i testowanie teorii względności.
Zegar optyczny składa się z trzech głównych elementów. Pierwsza to próbka atomów lub jonów, które przechodzą między poziomami energii z dobrze określoną i wysoce stabilną częstotliwością odniesienia w obszarze optycznym widma elektromagnetycznego. Drugim elementem jest system sprzężenia zwrotnego, który „blokuje” wyjście lasera (nazywanego lokalnym oscylatorem) do tej częstotliwości odniesienia. Trzeci element zapewnia bardzo precyzyjny pomiar częstotliwości lasera, zwykle za pomocą urządzenia zwanego optycznym grzebieniem częstotliwości (OFC).
Jedna sekunda na 100 miliardów lat
W nowej pracy naukowcy pod kierunkiem Pan Jianwei ukończenia Uniwersytet Nauki i Technologii Chin wykazali rozproszenie czasowo-częstotliwościowe między systemem sprzężenia zwrotnego a OFC oddzielonymi rekordową odległością 113 km. Po 10 000 sekund niestabilność częstotliwości zegara była mniejsza niż 4×10-19, co oznacza, że zegar porównanie błędy byłyby utrzymywane w ciągu jednej sekundy po 100 miliardach lat. Naukowcy zauważają, że wartość ta przewyższa punkt odniesienia wymagany do ponownego zdefiniowania podstawowej jednostki sekundy, co ma zostać omówione na Konferencji Generalnej ds. Wag i Miar w 2026 roku.
Wcześniejsze próby rozpowszechniania czasu i częstotliwości w wolnej przestrzeni z tak dużą precyzją nie sięgały dalej niż kilkadziesiąt kilometrów, co zdaniem naukowców jest niewystarczające do bardzo precyzyjnej transmisji w łączach satelita-ziemia. „Ta praca otwiera drogę do naziemnego rozpowszechniania częstotliwości czasowej z satelity” — mówi Pan — „i przewidujemy, że długodystansowe łącza OFC w wolnej przestrzeni, w połączeniu z łączami czasowo-częstotliwościowymi opartymi na światłowodach i satelitach, staną się ważne części przyszłych sieci zegarów optycznych”.
Badacze, którzy zgłaszają swoją pracę w: Natura, planują teraz opracować eksperymentalnego satelitę naukowo-kwantowego średniej orbity ziemskiej na geosynchroniczną orbitę równikową (MEO-to-GEO), który może realizować zarówno standard częstotliwości optycznej oparty na satelitach GEO, jak i transfer czasu i częstotliwości satelity-ziemia. „Mamy nadzieję, że ten system będzie miał niestabilność czasowo-częstotliwościową mniejszą niż 5×10-18 w 10 000 sekund” — mówi Pan. „Ustanawiane są dwukierunkowe łącza porównawcze ze stacją w Chinach, z którą współpracowaliśmy w ramach tego badania, oraz stacją zagraniczną w celu przeprowadzenia międzykontynentalnego porównania zegarów optycznych. Ten satelita ma zostać wystrzelony w 2026 roku”.
