Raziskovalci v ZDA in Kanadi so razvili novo tehniko, ki bi lahko močno izboljšala natančnost meritev časa in razdalje, opravljenih z dvojnimi optičnimi frekvenčnimi glavniki. Z dinamično nastavitvijo enega od glavnikov, Emily Caldwell in sodelavci na Nacionalnem inštitutu za standarde in tehnologijo (NIST) v Boulderju v Koloradu in Octosig Consulting v mestu Quebec so naredili tehniko veliko učinkovitejšo.
Optični frekvenčni glavnik, ki je bil prvič predstavljen na prelomu tisočletja, je povečal natančnost meritev časa in razdalje. Glavnik lahko ustvarite z laserjem, ki v rednih intervalih oddaja ultra kratke impulze. Frekvenčni spekter impulzov ima ostre, enakomerno razporejene vrhove – zaradi česar je videti kot zobje glavnika.
Za merjenje časa in razdalje se impulzi glavnika odbijejo od oddaljenega predmeta. Odbita svetloba se nato združi z drugim glavnikom, ki ima impulze, ki so rahlo zakasnjeni glede na prvi glavnik. Z merjenjem relativne poravnave obeh glavnikov je mogoče z zelo visoko natančnostjo določiti povratni čas prvega glavnika – in s tem razdaljo do odbojnega predmeta.
Majhno prekrivanje
Vendar pa je pomembna pomanjkljivost te tehnike ta, da je dolžina impulzov veliko krajša od vrzeli med impulzi. Zato se pogosto zgodi, da je malo prekrivanja med odbitim impulzom in zakasnjenim impulzom. To pomeni, da se meritve včasih zanašajo na merjenje zelo majhnega števila fotonov – kar zmanjša natančnost in izgubi velik del odbite svetlobe. To je še posebej pereč problem za aplikacije zaznavanja zunaj laboratorija, kjer je svetloba v prvem glavniku že oslabljena, ko potuje na dolge razdalje do ciljnega predmeta in od njega.
Alkotest z ultra občutljivim frekvenčnim glavnikom cilja na diagnozo bolezni v realnem času
Da bi odpravili to težavo, je Caldwellova ekipa uporabila digitalni krmilnik za sledenje in nadzor časa impulza v drugem glavniku z natančnostjo 2 as. To jim je omogočilo, da so drugi glavnik zaklenili na prvega in zagotovili, da impulzi prispejo do detektorja istočasno. Posledično se lahko vsi fotoni v prvem glavniku potencialno uporabijo pri meritvi.
Ta inovacija je ekipi omogočila, da svoje meritve izvede blizu kvantne meje – temeljne omejitve natančnosti meritev, ki jo določajo kvantna nihanja. Druga prednost sistema je, da njegova učinkovita uporaba fotonov pomeni, da lahko deluje pri veliko nižji moči – za enake rezultate potrebuje le 0.02 % fotonov, ki so jih uporabljali prejšnji sistemi.
Posledično bi lahko pristop ekipe ponudil vznemirljive nove priložnosti za zaznavanje priložnosti zunaj laboratorija. To vključuje merjenje razdalj do oddaljenih objektov, kot so sateliti v orbiti, do nanometrske natančnosti.
Raziskava je opisana v Narava.
