Fysikere har utviklet en måte å synkronisere tikken til to klokker gjennom luften med ekstrem presisjon, over en rekordavstand på 113 kilometer.
Bragden er et skritt mot å redefinere den andre ved å bruke optiske klokker – tidtakere som er 100 ganger mer presise enn atomklokkene som koordinert universaltid (UTC) er basert på for øyeblikket.
Metrologer håper å bruke optiske klokker til å redefinere den andre i 2030. Men et hinder som står i veien for dem er behovet for å finne en pålitelig måte å overføre signaler mellom optiske klokker i laboratorier på forskjellige kontinenter, for å sammenligne utgangene deres. I praksis vil dette trolig bety å overføre klokkenes tid gjennom luft og rom, til satellitter. Men dette er en utfordring fordi atmosfæren forstyrrer signaler.
Et team ledet av Jian-Wei Pan, en fysiker ved University of Science and Technology of China i Hefei, lyktes i å sende presise pulser av laserlys mellom klokker på stasjoner 113 kilometer fra hverandre i Kinas Xinjiang-provins1. Dette er sju ganger den forrige rekorden2 på 16 kilometer.
Resultatet, publisert i Natur1 5. oktober, er “enestående”, sier David Gozzard, en eksperimentell fysiker ved University of Western Australia i Perth. Å oppnå et så høyt nivå av synkronisering over den luftavstanden representerer “betydelig fremgang i å kunne gjøre dette mellom en satellitt og bakken”, legger han til.
Synkronisering av hyperpresise klokker på vanskelig tilgjengelige steder kan også ha fordeler andre steder i forskningen, sier Tetsuya Ido, direktør for Space-Time Standards Laboratory ved Radio Research Institute i Tokyo. For eksempel kan klokkene brukes til å teste den generelle relativitetsteorien, som sier at tiden skal gå langsommere på steder der tyngdekraften er sterkere, for eksempel i lave høyder. Å sammenligne tikken til to optiske klokker kan til og med avsløre subtile endringer i gravitasjonsfelt forårsaket av bevegelse av masser – for eksempel ved å skifte tektoniske plater – sier han.
Neste generasjons klokker
Siden 1967 har den andre blitt definert av atomklokker som bruker cesium-33 atomer: et sekund er tiden det tar å sykle gjennom 9 192 631 770 svingninger av mikrobølgestrålingen atomene absorberer og sender ut når de bytter mellom visse tilstander. I dag bruker optiske klokker den høyfrekvente “tikkingen” av elementer som strontium og ytterbium, noe som gjør at de kan dele tiden i enda finere fraksjoner.
Offisiell tid kan imidlertid ikke genereres med bare én klokke. Metrologer må gjennomsnittlige produksjonen av hundrevis av ur over hele verden. For cesiumklokker kan tiden overføres gjennom mikrobølgesignaler, men mikrobølgestråling er for lavfrekvent til å formidle høyfrekvente tikken til optiske klokker.
Å sende signaler gjennom luften ved optiske bølgelengder er ikke like enkelt som å sende mikrobølger, fordi molekyler i luften lett absorberer lyset, noe som drastisk reduserer styrken til signalet. Videre kan turbulens sende en laserstråle bort fra målet. For å sammenligne optiske klokker har fysikere så langt stolt mest på å overføre signaler gjennom fiberoptiske kabler, eller transportere de klumpete, komplekse klokkene selv, for å sammenligne dem side om side. Men disse metodene er upraktiske for å skape den typen globalt nettverk som trengs for å definere det andre.
Pans team lyktes ved å kombinere flere mindre utviklinger, sier Gozzard. For å lage signalet deres brukte forskerne optiske frekvenskammer – enheter som produserer ekstremt stabile og presise pulser av laserlys – og økte utgangen ved hjelp av kraftige forsterkere, for å minimere signalet som går tapt når pulsene reiste gjennom luften. Teamet tunet og optimaliserte også mottakere slik at de kunne fange opp laveffektssignaler og automatisk spore retningen til den innkommende laseren.
Gruppen sendte ut tidsintervaller ved bruk av to bølgelengder med synlig lys, og sendte en annen gjennom en fiberoptisk forbindelse. Ved å sammenligne de små forskjellene mellom signalene som ble fanget opp på mottakerne, viste forskerne at målt over timer, kunne de spre tikken med en stabilitet som er høy nok til å miste eller få bare et sekund omtrent hvert 80. milliarder år. Nøyaktighetsnivået var på nivå med optiske klokker.
Ikke der ennå
Selv om denne overføringsmetoden er den mest stabile menneskeheten har så langt, må den forbedres ytterligere for å matche stabiliteten til de beste optiske klokkene, sier Gozzard.
En annen begrensning er at forsøket ble gjort i et avsidesliggende område med optimale atmosfæriske forhold, sier Ido. “Luftfuktigheten er ganske lav og luftturbulens kan være roligere enn i konvensjonelle byområder,” sier han. Fremtidige studier vil måtte sjekke hvor godt metoden fungerer andre steder.
Men eksperimentet ser ut til å være en god proxy for å sende slike signaler ut i verdensrommet, sier Helen Margolis, fysiker ved National Physical Laboratory i Teddington, Storbritannia. Mengden turbulens som forventes over 113 kilometer på bakken er sammenlignbar med den på vei fra bakken til en satellitt, sier hun.
Satellittbasert overføring vil møte et ytterligere hinder – klokkene vil gå i bane i høy hastighet, noe som skifter frekvensen til signalene deres, sier Gozzard.
Pan sier at dette er en av utfordringene teamet hans vil ta på seg neste gang. Teamet utviklet tidligere teknologier for en kvantekommunikasjonssatellittog bruker nå disse til å utvikle måter å overføre mellom optiske klokker i geostasjonær bane og på bakken.
Ved å bruke optiske klokker i verdensrommet, ville det også være “mulig å gi nye sonder for grunnleggende fysikk, for eksempel jakt på mørk materie og oppdage gravitasjonsbølger”, legger Pan til.