Fyzikom sa podarilo vymyslieť spôsob, ako na diaľku bez použitia optického vedenia dokážu zosynchronizovať „tikanie“ dvoch vzdialených atómových hodín. Tím čínskych vedcov pod vedením Jian-Wei Pana dokonca pri svojich experimentoch vytvoril nový rekord, keď sa im podarilo zosynchronizovať optické atómové hodiny na vzdialenosť 113 km. Na tému upozornil portál InterestingEngineering.

Ako píše portál Nature na svojom webe, nový výskum publikovaný v rovnomennom žurnále predstavuje dôležitý krok k predefinovaniu sekundy. Metrológovia po celom svete teraz dúfajú, že pomocou optických atómových hodín dokážu predefinovať sekundu do roku 2030. Je tu však jeden problém, ktorý je potrebné vyriešiť.

Najpresnejšie hodiny na svete

Ako sme písali v samostatnom článku, atómové hodiny sú považované za tie vôbec najpresnejšie hodiny. Ich základom sú pravidelné oscilácie atómov vhodnej látky.  Platí však, že nie všetky atómové hodiny sú rovnaké a nie všetky „tikajú“ rovnako presne.

Tie najlepšie majú odchýlku len 1 sekundu na 15 miliárd rokov, čo znamená, že ak by sme ich spustili pri Veľkom tresku, nemeškali by teraz ani o jednu celú sekundu.

Používa sa napríklad atóm cézia-133, ktorý osciluje presne 9 192 631 770-krát za sekundu, pričom tento fakt sa od roku 1967 oficiálne používa ako definícia sekundy.

„1 sekunda je čas trvania 9 192 631 770 periód elektromagnetického žiarenia, ktoré zodpovedá prechodu medzi dvomi hladinami veľmi jemnej štruktúry základného stavu atómu cézia pri teplote absolútnej nuly.“

(Pozn. redakcie: Vzhľadom na to, že v reálnych podmienkach nie je možné absolútnu nulu nikdy dosiahnuť, v praxi sa pre toto meranie pri teplote rádovo niekoľkých mikrokelvinov zavádzajú rôzne korekcie.)

Lepšou verziou atómových hodín sú optické atómové hodiny, ktoré na meranie času využívajú svetlo a atómy yterbia či stroncia, ktoré umožňujú deliť čas na ešte jemnejšie frakcie.

Nie je to vôbec jednoduché

Dĺžka jednej sekundy však nie je závislá na meraní jedných atómových hodín, respektíve tikania jediného atómu cézia. Metrológovia ho dostanú z priemeru zo stoviek hodín, ktoré sú rozmiestnené po celom svete. Aby niečo také bolo možné, z času na čas je potrebné tieto hodiny zosynchronizovať.

Kým céziové hodiny sa dajú synchronizovať pomocou mikrovlnného žiarenia, optické atómové hodiny majú oveľa vyššiu frekvenciu, ktorú nie je možné prenášať prostredníctvom mikrovlnných signálov.

Vysielanie signálov vzduchom na optických vlnových dĺžkach ale nie je také jednoduché, ako vysielanie mikrovĺn, pretože molekuly vo vzduchu ľahko absorbujú svetlo, čím sa výrazne znižuje intenzita signálu.

Preto sa vedci z celého sveta spoliehali najmä na prenos signálov prostredníctvom vodičov z optických vlákien, prípadne na prepravu samotných hodín. Podľa mnohých sú však tieto metódy príliš nepraktické na vytvorenie globálnej siete tvorenej z optických atómových hodín, ktorá pomôže predefinovať sekundu.

Ako prebiehal experiment?

Najnovšie sa však vedcom z Číny podarilo vďaka použitiu laserov zosynchronizovať optické atómové hodiny na rekordnú vzdialenosť a to bez použitia optických káblov. Na utvorenie rekordu vedci potrebovali najnovšie výdobytky techniky, vrátane optických frekvenčných hrebeňov, ktoré produkujú extrémne stabilné a presné pulzy laserového svetla. Tie boli zosilňované prostredníctvom vysokovýkonných zosilňovačov.

Okrem toho, vedci použili tiež rôzne automatické prijímače a detektory, ktoré upravili tak, aby dokázali zachytiť aj signály s nízkym výkonom a zároveň dokázali sledovať smer prichádzajúceho laserového svetla.

Na overenie správnosti merania vedci vyslali signál aj cez optické vlákna a následne porovnali rozdiel medzi signálmi vyslanými vzduchom a optickým vedením. Vo výsledku práca ukázala, že prenos signálu vzduchom mal extrémne vysokú mieru stability.

Straty by viedli k odchýlke len 1 sekundy na 80 miliárd rokov. Výskum má však stále ďaleko od nasadenia do reálnej praxe. Bol totiž vykonaný pri optimálnych atmosférických podmienkach.