Группа исследователей из Китая установила новый рекорд, синхронизировав оптические часы на расстоянии 113 км. Это значительно превосходит их последнюю попытку, которая была реализована на расстоянии чуть менее 16 км. Об этом сообщает издание Nature.

Группу экспериментаторов возглавлял Цзянь-Вэй Пань, инженер из University of Science and Technology of China in Hefei. Это событие знаменует собой очень важную веху, так как метеорологи планируют перейти на оптические часы, чтобы по-новому измерить секунду уже к концу этого десятилетия.

Ученые надеются использовать оптические часы для переопределения длины секунды. Credit: Julian Stratenschulte/DPA via ZUMA Press

Что такое секунда?

 Уже более пяти десятилетий для определения секунды используются атомные часы. Это количество времени, необходимое для прохождения 9 192 631 770 колебаний микроволнового излучения, которое атомы цезия-33 поглощают и испускают при изменении своего состояния.

С другой стороны, оптические часы используют "тиканье" атомов стронция и иттербия, которые могут обеспечить еще меньшие интервалы времени. Однако официальное время не является продуктом одних часов, оно должно быть усреднено по данным сотен часов, расположенных по всему миру. Для этого эти часы необходимо время от времени синхронизировать, и вот именно в этом месте у метеорологов возникли трудности с расстоянием.

Если цезиевые часы можно синхронизировать с помощью микроволнового излучения, то оптические часы имеют гораздо более высокую частоту, с которой эти низкочастотные волны не могут сравниться. Для решения этой задачи исследователи обратились к волнам в спектре видимого света. В предыдущих попытках для передачи сигналов эксперты использовали волоконно-оптические кабели, однако масштабы сети, которая потребуется для определения секунды, непрактичны для такого развертывания. 

Тогда исследователи решили передавать сигналы по воздуху. Чтобы добиться рекордного результата, они использовали последние разработки, такие как оптические гребенки, которые могут производить точные импульсы лазеров, мощные усилители, исключающие потерю сигналов, а также высокоточные приемники для автоматического обнаружения даже самых слабых входящих сигналов. 

Red laser beam and reflections. DWithers/iStock

Когда лучшее — враг хорошего

Для проверки своей технологии специалисты передавали световые волны разной длины через оптоволоконную линию связи, а затем сравнили разницу между сигналами, переданными по воздуху и через оптоволокно. Результаты эксперимента показали, что передача сигнала по воздуху отличается высокой стабильностью и приводит к изменению сигнала на одну секунду в течение 80 миллиардов лет.

Впрочем, до внедрения системы еще далеко. Научный эксперимент проводился в отдаленном месте с наиболее оптимальными атмосферными условиями, и теперь его необходимо повторить в других регионах, чтобы понять, насколько хорошо он работает. 

"Текущий эксперимент можно сравнить с попыткой отправить оптические сигналы в космос, в котором они столкнутся с турбулентностью", — пояснили эксперты изданию Nature. "Однако высокоскоростные орбиты спутников создадут еще одну проблему для передачи сигнала, поскольку произойдет смещение его частоты".

Авторы проекта уже разработали технологии для спутников квантовой связи и теперь будут работать над передачей сигналов между землей и оптическими часами на геостационарной орбите. "Это поможет нам в поисках темной материи, а также в обнаружении гравитационных волн", — сказал Пан в интервью Nature.

Результаты исследования были зарегистрированы в начале этого месяца в издании Nature.

Источники: Journal Nature.

1. (https://www.nature.com/articles/s41586-022-05228-5)
2. (https://www.nature.com/articles/d41586-022-03297-0)