Fysiker har överfört information om tid och frekvens över en sträcka på mer än 100 km i fritt utrymme, vilket vida överträffar det tidigare rekordet. Tekniken, som gör det möjligt att synkronisera och övervaka optiska klockor i miljöer där optofiberbaserade anslutningar är opraktiska, skulle kunna användas för att sätta högre standarder för metrologi, navigering och positionering. Den har också applikationer för grundläggande fysikstudier som att söka efter mörk materia, omdefiniera fundamentala konstanter och testa relativitet.
En optisk klocka har tre huvudkomponenter. Den första är ett prov av atomer eller joner som övergår mellan energinivåer vid en väldefinierad och mycket stabil referensfrekvens i det optiska området av det elektromagnetiska spektrumet. Det andra elementet är ett återkopplingssystem som "låser" utsignalen från en laser (kallad lokaloscillator) till denna referensfrekvens. Den tredje komponenten ger en mycket exakt mätning av laserns frekvens, vanligtvis via en anordning som kallas en optisk frekvenskam (OFC).
En sekund på 100 miljarder år
I det nya arbetet har forskare under ledning av Jianwei Pan av Kinas universitet för vetenskap och teknik demonstrerade tids-frekvensspridning mellan ett återkopplingssystem och en OFC åtskilda av en rekordsträcka på 113 km. Efter 10 000 sekunder var klockans frekvensinstabilitet mindre än 4×10-19, vilket innebär att klockan är jämförelse fel skulle hållas inom en sekund efter 100 miljarder år. Forskarna noterar att detta värde överträffar det riktmärke som krävs för att omdefiniera den grundläggande enheten för den andra, som kommer att diskuteras vid 2026 års allmänna konferens om vikter och mått.
Tidigare försök att sprida tid och frekvens i fritt utrymme med så hög precision sträckte sig inte längre än tiotals kilometer, vilket forskarna noterar är otillräckligt för högprecisionsöverföring i satellit-till-mark-länkar. "Det här arbetet öppnar vägen till satellit-mark-tidsfrekvensspridning", säger Pan, "och vi förväntar oss att långdistansförbindelser med frirums-OFC, kombinerat med fiberbaserade och satellitbaserade tidsfrekvenslänkar, kommer att bli viktiga delar av framtida optiska klocknät."
Forskarna, som rapporterar sitt arbete i Natur, planerar nu att utveckla en kvantvetenskaplig experimentsatellit för Medium Earth Orbit-to-Geosynchronous Equatorial Orbit (MEO-till-GEO) som kan realisera både en GEO-satellitbaserad optisk frekvensstandard och satellit-mark tidsfrekvensöverföring. "Vi hoppas att det här systemet kommer att ha en tidsfrekvensinstabilitet på mindre än 5×10-18 vid 10 000 sekunder”, säger Pan. "Jämförelselänkar i två riktningar håller på att etableras med stationen i Kina som vi arbetade med för denna studie och den utomeuropeiska stationen för att göra en interkontinental optisk klockajämförelse. Denna satellit är planerad att skjutas upp 2026.”
