Os físicos transferiram informações de tempo e frequência por uma distância de mais de 100 km no espaço livre, superando em muito o recorde anterior. A técnica, que permite sincronizar e monitorar relógios ópticos em ambientes onde as conexões baseadas em fibra óptica são impraticáveis, pode ser usada para estabelecer padrões mais elevados de metrologia, navegação e posicionamento. Ele também tem aplicações para estudos básicos de física, como busca de matéria escura, redefinição de constantes fundamentais e teste de relatividade.
Um relógio óptico tem três componentes principais. A primeira é uma amostra de átomos ou íons que transitam entre os níveis de energia em uma frequência de referência bem definida e altamente estável na região óptica do espectro eletromagnético. O segundo elemento é um sistema de feedback que “bloqueia” a saída de um laser (chamado de oscilador local) para esta frequência de referência. O terceiro componente fornece uma medição muito precisa da frequência do laser, geralmente por meio de um dispositivo conhecido como pente de frequência óptica (OFC).
Um segundo em 100 bilhões de anos
No novo trabalho, pesquisadores liderados por JianweiPan da Universidade da Ciência e Tecnologia da China demonstrou a disseminação de frequência de tempo entre um sistema de feedback e um OFC separados por uma distância recorde de 113 km. Após 10 000 segundos, a instabilidade da frequência do relógio era inferior a 4 × 10-19, o que implica que o relógio comparação os erros seriam mantidos dentro de um segundo após 100 bilhões de anos. Os pesquisadores observam que esse valor supera a referência necessária para redefinir a unidade fundamental do segundo, que deve ser discutida na Conferência Geral de Pesos e Medidas de 2026.
Tentativas anteriores de disseminação de tempo e frequência no espaço livre com precisão tão alta não se estenderam além de dezenas de quilômetros, o que os pesquisadores observam ser insuficiente para transmissão de alta precisão em links de satélite para terra. “Este trabalho abre o caminho para a disseminação de frequência de tempo via satélite e solo”, diz Pan, “e prevemos que os links OFC de espaço livre de longa distância, combinados com links de frequência de tempo baseados em fibra e satélite, se tornarão importantes partes de futuras redes de relógio óptico.”
Os pesquisadores, que relatam seu trabalho em Natureza, agora planeja desenvolver um satélite experimental de ciência quântica de órbita terrestre média para órbita geossíncrona (MEO para GEO) que pode realizar um padrão de frequência óptica baseado em satélite GEO e transferência de frequência de tempo de satélite para terra. “Esperamos que este sistema tenha uma instabilidade de frequência de tempo inferior a 5 × 10-18 em 10 segundos”, diz Pan. “Links de comparação bidirecional estão sendo estabelecidos com a estação na China com a qual trabalhamos para este estudo e a estação no exterior para realizar uma comparação de relógio óptico intercontinental. Este satélite está planejado para ser lançado em 000.”
