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International Optical Clock Comparison Using the European Optical Fiber Network

यह शोध पत्र एक फाइबर नेटवर्क के माध्यम से चार यूरोपीय मेट्रोलॉजी संस्थानों में सात ऑप्टिकल घड़ियों के सफल दो महीने के अंतर्राष्ट्रीय तुलना की रिपोर्ट करता है, जिसने $7.7\times10^{-18}$ जितनी कम फ्रीक्वेंसी रेश्यो अनसर्टेन्टी (आवृत्ति अनुपात अनिश्चितता) हासिल की है और SI सेकंड के भविष्य के पुनर्निर्धारण के लिए महत्वपूर्ण डेटा प्रदान किया है।

मूल लेखक: Marco Pizzocaro, Clara Zyskind, Anne Amy-Klein, Erik Benkler, Sebastien Bize, Davide Calonico, Etienne Cantin, Christian Chardonnet, Cecilia Clivati, Stefano Condio, E. Anne Curtis, Simone Donadello

प्रकाशित 2026-05-01

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Marco Pizzocaro, Clara Zyskind, Anne Amy-Klein, Erik Benkler, Sebastien Bize, Davide Calonico, Etienne Cantin, Christian Chardonnet, Cecilia Clivati, Stefano Condio, E. Anne Curtis, Simone Donadello, Sören Dörscher, Chen-Hao Feng, Melina Filzinger, Jacques-Olivier Gaudron, Rachel M. Godun, Irene Goti, Ian R. Hill, Wei Huang, Nils Huntemann, Matthew Johnson, Joshua Klose, Jochen Kronjäger, Alexander Kuhl, Rodolphe Le Targat, Filippo Levi, Burghard Lipphardt, Christian Lisdat, Jerome Lodewyck, Olivier Lopez, Helen S. Margolis, Maxime Mazouth-Laurol, Alberto Mura, Benjamin Pointard, Paul-Eric Pottie, Matias Risaro, Billy I. Robertson, Marco Schioppo, Kilian Stahl, Martin Steinel, Alexandra Tofful, Mads Tønnes, Jacob Tunes

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि आपके पास दुनिया की सबसे सटीक घड़ियाँ हैं। ये साधारण कलाई घड़ियाँ नहीं हैं; ये ऑप्टिकल क्लॉक्स (प्रकाशिक घड़ियाँ) हैं जो इतनी सटीकता से टिक-टिक करती हैं कि वे पूरे ब्रह्मांड की आयु के दौरान केवल एक सेकंड का अंतर ही पैदा करेंगी या खोएँगी। वैज्ञानिकों ने विभिन्न देशों में ये अविश्वसनीय समय-मापक यंत्र बनाए हैं, लेकिन लंबे समय तक, वे यह सुनिश्चित नहीं कर सकते थे कि इटली वाली घड़ी जर्मनी या यूके वाली घड़ी के बिल्कुल समान गति से चल रही है या नहीं।

यह शोध पत्र एक विशाल, दो महीने लंबे "टाइमकीपिंग ओलंपिक्स" की रिपोर्ट कार्ड की तरह है, जो 2023 की शुरुआत में आयोजित किया गया था। यहाँ क्या हुआ, इसे सरल शब्दों में समझाया गया है:

सेटअप: एक हाई-स्पीड टाइम-ट्रैवलिंग नेटवर्क

आमतौर पर, अलग-अलग देशों में दो घड़ियों की तुलना करने के लिए, वैज्ञानिक उपग्रहों (जैसे GPS) का उपयोग करते हैं। लेकिन उपग्रह थोड़े वैसे ही हैं जैसे किसी हवादार घाटी में चिल्लाकर दो घड़ियों की तुलना करना; सिग्नल थोड़ा धुंधला हो जाता है, और तुलना एकदम सटीक नहीं होती।

इसके बजाय, इन वैज्ञानिकों ने यूरोप में फैले एक विशाल, अत्यंत स्थिर फाइबर-ऑप्टिक केबल नेटवर्क का उपयोग किया। इस नेटवर्क को प्रकाश के लिए एक "सुपर-हाइवे" की तरह समझें। उन्होंने इन केबलों के माध्यम से चार प्रमुख मेट्रोलॉजी लैब्स (इटली, फ्रांस, जर्मनी और यूके में) को जोड़ा। इसने उन्हें उपग्रहों की धुंधलापन के बिना एक घड़ी की "टिक" को सीधे दूसरी घड़ी तक भेजने की अनुमति दी।

प्रतियोगी: सात अलग-अलग घड़ियाँ

सात अलग-अलग घड़ियाँ इस दौड़ में शामिल हुईं। वे सभी एक ही तरह से नहीं बनी थीं:

कुछ ने यटरबियम (Ytterbium) (एक धातु) का उपयोग किया जिसे एक एकल आयन (जैसे एक छोटा, तैरता हुआ मार्बल) के रूप में फँसाया गया था।
कुछ ने "लैटिस" (प्रकाश से बने मधुमक्खी के छत्ते की तरह) में फंसे स्ट्रोंटियम (Strontium) या मरकरी (Mercury) परमाणुओं का उपयोग किया।
वे अलग-अलग प्रकार के "ट्रांजिशन" (ऊर्जा स्तरों में कूदने के तरीके) पर काम करते थे, जो घड़ी के अलग-अलग ब्रांडों द्वारा उपयोग किए जाने वाले अलग-अलग आंतरिक गियर की तरह है।

बड़ी उपलब्धि: "ट्विन" चेक

सबसे रोमांचक परिणाम दो ऐसी घड़ियों की तुलना से आया जिन्हें दो अलग-अलग देशों (एक यूके में, एक जर्मनी में) में स्वतंत्र रूप से बनाया गया था। दोनों यटरबियम आयन क्लॉक्स थे जो एक विशिष्ट, बहुत जटिल प्रकार के टिक (जिसे "E3" ट्रांजिशन कहा जाता है) का उपयोग कर रहे थे।

परिणाम: वे एक-दूसरे के साथ पूरी तरह सहमत थे, त्रुटि के एक बहुत ही सूक्ष्म मार्जिन के भीतर (1 भाग में 100 क्वाड्रिलियन से भी कम)।
उपमा: कल्पना कीजिए कि दो अलग-अलग शहरों के मास्टर घड़ीसाज़ अपने शून्य से बनाई गई घड़ियाँ बनाते हैं। वे अपनी घड़ियाँ एक तटस्थ स्थान पर भेजते हैं। जब वे उनकी तुलना करते हैं, तो उनके हाथ (सुइयाँ) बिल्कुल एक ही स्थिति में होते हैं, एक बाल की चौड़ाई के एक अंश तक भी अंतर नहीं होता। यह पहली बार था जब दो अलग-अलग देशों में स्वतंत्र रूप से बनाई गई ऑप्टिकल घड़ियों को इस स्तर की सटीकता पर सहमत साबित किया गया था।

मरकरी क्लॉक: एक नया चैंपियन

फ्रांस की घड़ी, जो मरकरी (पारा) का उपयोग करती है, भी एक स्टार खिलाड़ी थी। इसकी तुलना नेटवर्क के अन्य सभी घड़ियों से की गई थी। परिणामों ने दिखाया कि मरकरी क्लॉक अविश्वसनीय रूप से स्थिर और विश्वसनीय है, जो यह बताती है कि इसका "टिक" यटरबियम और स्ट्रोंटियम घड़ियों की तुलना में कितना सटीक है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है (शोध पत्र के अनुसार)

यह शोध पत्र बताता है कि दुनिया वर्तमान में "सेकंड" (एक सेकंड) को फिर से परिभाषित करने की कोशिश कर रही है। अभी, सेकंड को माइक्रोवेव घड़ियों (पुराने मानक) द्वारा परिभाषित किया जाता है। वैज्ञानिक इन नई, सुपर-सटीक ऑप्टिकल घड़ियों की ओर स्विच करना चाहते हैं।

हालाँकि, सेकंड की परिभाषा बदलने से पहले, आपको यह साबित करना होगा कि दुनिया की हर ऑप्टिकल घड़ी इस बात पर सहमत है कि एक सेकंड क्या है। यदि पेरिस की घड़ी कहती है कि "एक सेकंड" लंदन की घड़ी की तुलना में थोड़ा अलग है, तो आप नियम नहीं बदल सकते।

इस प्रयोग ने सिद्ध किया कि:

नेटवर्क काम करता है: फाइबर-ऑप्टिक केबल इतने अच्छे हैं कि वे तुलना में कोई गड़बड़ी नहीं करते हैं। वे माप के लिए लगभग अदृश्य हैं।
घड़ियाँ सहमत हैं: अलग-अलग प्रकार की ऑप्टिकल घड़ियाँ, जिन्हें अलग-अलग टीमों द्वारा अलग-अलग देशों में बनाया गया है, अविश्वसनीय सटीकता के साथ एक ही समय बता रही हैं।

सिस्टम में "ग्लिच" (खराबी)

पत्र में एक घड़ी का भी उल्लेख है (जर्मनी में एक स्ट्रोंटियम क्लॉक) जिसमें एक "बीमारी" थी। यह एक लेजर समस्या से प्रभावित थी जिसने इसके समय को थोड़ा सा बदल दिया था। वैज्ञानिक इसे बाद में ठीक नहीं कर सके, इसलिए उन्होंने इसके अंतिम आंकड़ों को मुख्य परिणामों में शामिल नहीं किया। हालाँकि, उन्होंने इसका उपयोग यह जांचने के लिए भी किया कि अन्य घड़ियों की स्थिरता कितनी है, क्योंकि अपनी बीमारी के बावजूद, यह अल्प अवधि में बहुत स्थिर थी।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र अंतरराष्ट्रीय विज्ञान की एक विजय यात्रा है। यह दिखाता है कि हमने यूरोप में "समय का एक जाल" बनाया है जो इतना सटीक है कि हम अंततः विश्वास कर सकते हैं कि हमारी सर्वश्रेष्ठ घड़ियाँ सभी एक ही समय पर तालमेल बिठा रही हैं। यह समय की आधिकारिक परिभाषा को अपडेट करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, यह सुनिश्चित करता है कि कल जो "सेकंड" हम उपयोग करेंगे वह उतना ही पूर्ण है जितनी कि वे घड़ियाँ जो हमने आज बनाई हैं।

1. समस्या विवरण (Problem Statement)

ऑप्टिकल घड़ियों ने $10^{-18}$ स्तर और उससे भी नीचे के फ्रैक्शनल फ्रीक्वेंसी अनसर्टेन्टी (fractional frequency uncertainties) प्राप्त कर ली हैं, जो उन्हें वर्तमान माइक्रोवेव-आधारित SI सेकंड परिभाषाओं से श्रेष्ठ बनाती हैं। हालांकि, एक महत्वपूर्ण बाधा अभी भी बनी हुई है: अंतर्राष्ट्रीय स्तर पर इन घड़ियों की निरंतरता का सत्यापन करना।

चुनौती: जबकि प्रयोगशाला के भीतर तुलना करना एक सामान्य प्रक्रिया है, विभिन्न देशों में स्वतंत्र रूप से विकसित ऑप्टिकल घड़ियों की तुलना करना कठिन है। इसके लिए विश्वसनीय लंबी दूरी के फाइबर लिंक, कई जटिल प्रणालियों के सिंक्रनाइज़ संचालन और व्यवस्थित अनसर्टेन्टी बजट के समन्वय की आवश्यकता होती है।
लक्ष्य: ऑप्टिकल ट्रांजिशन पर आधारित SI सेकंड के पुनर्निर्धारण (redefinition) को मान्य करने के लिए, वैज्ञानिक समुदाय को यह प्रदर्शित करना चाहिए कि अलग-अलग परमाणु प्रजातियों और तकनीकों का उपयोग करने वाली स्वतंत्र रूप से विकसित ऑप्टिकल घड़ियाँ अंतरराष्ट्रीय सीमाओं के पार एक-दूसरे के साथ $10^{-18}$ स्तर पर सहमत हैं।

2. कार्यप्रणाली (Methodology)

लेखकों ने चार यूरोपीय राष्ट्रीय मेट्रोलॉजी संस्थानों (NMIs) को शामिल करते हुए एक दो महीने का अंतर्राष्ट्रीय क्लॉक तुलना अभियान (24 फरवरी – 1 मई, 2023) आयोजित किया:

संस्थान: INRIM (इटली), LNE-OP (पूर्व में LNE-SYRTE, फ्रांस), NPL (यूके), और PTB (जर्मनी)।
इंफ्रास्ट्रक्चर: इस तुलना में यूरोपीय फेज-स्टेबलाइज्ड ऑप्टिकल फाइबर नेटवर्क (REFIMEVE) का उपयोग किया गया, जो निम्नलिखित को जोड़ता है:
- LNE-OP से NPL (785 किमी)
- LNE-OP से PTB (1370 किमी)
- LNE-OP से INRIM (1023 किमी)
शामिल घड़ियाँ (कुल 7):
- फ्रांस (LNE-OP): $^{199}\text{Hg}$ ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक (SYRTE-Hg)।
- यूके (NPL): $^{171}\text{Yb}^+$ आयन क्लॉक (E3 ट्रांजिशन) और $^{87}\text{Sr}$ ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक।
- जर्मनी (PTB): दो $^{171}\text{Yb}^+$ आयन क्लॉक (E3 और E2 ट्रांजिशन) और एक $^{87}\text{Sr}$ ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक।
- इटली (INRIM): $^{171}\text{Yb}$ ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक।
डेटा विश्लेषण:
- फाइबर लिंक के माध्यम से घड़ियों की ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी की तुलना करके फ्रीक्वेंसी रेश्यो (frequency ratios) की गणना की गई।
- सांख्यिकीय अनसर्टेन्टी का मूल्यांकन दैनिक बिनों (daily bins) का उपयोग करके किया गया और यदि दैनिक स्कैटर अपेक्षा से अधिक था (जो अत्यधिक शोर का संकेत देता है), तो इसे बर्गे अनुपात (Birge ratio) द्वारा बढ़ाया गया।
- व्यवस्थित अनसर्टेन्टी में प्रत्येक घड़ी के फिजिक्स पैकेज, सांख्यिकीय शोर और रिलेटिविस्टिक रेडशिफ्ट सुधारों का योगदान शामिल था।
- साझा व्यवस्थित त्रुटियों (जैसे सामान्य संदर्भ घड़ियाँ) को ध्यान में रखने के लिए सभी मेजरमेंट पेयर्स के लिए कोरिलेशन कोएफिशिएंट्स की गणना की गई।

3. मुख्य योगदान (Key Contributions)

प्रथम सब- $10^{-17}$ अंतर्राष्ट्रीय सत्यापन: इस अभियान ने दो स्वतंत्र रूप से विकसित ऑप्टिकल घड़ियों ( $^{171}\text{Yb}^+$ E3) की पहली अंतर्राष्ट्रीय तुलना $1 \times 10^{-17}$ से कम की अनसर्टेन्टी के साथ सफलतापूर्वक संपन्न की।
बड़े पैमाने पर नेटवर्क एकीकरण: 4 देशों में 7 विशिष्ट ऑप्टिकल घड़ियों के समवर्ती संचालन को 65 दिनों तक सफलतापूर्वक समन्वित किया, जो मेट्रोलॉजी के लिए यूरोपीय फाइबर नेटवर्क की परिपक्वता को प्रदर्शित करता है।
नए फ्रीक्वेंसी रेश्यो: $^{199}\text{Hg}$ क्लॉक के विरुद्ध $^{171}\text{Yb}^+$ और $^{87}\text{Sr}$ घड़ियों के फ्रीक्वेंसी रेश्यो के प्रत्यक्ष अंतर्राष्ट्रीय मापन प्रदान किए।
डेटा पारदर्शिता: 11 फ्रीक्वेंसी रेश्यो, कोरिलेशन मैट्रिसेस और इंस्टेबिलिटी डेटा सहित एक व्यापक डेटासेट जारी किया गया, जो भविष्य के SI पुनर्निर्धारण प्रयासों के लिए एक बेंचमार्क के रूप में कार्य करेगा।

4. मुख्य परिणाम (Key Results)

$^{171}\text{Yb}^+$ (E3) सहमति (NPL बनाम PTB):
- इलेक्ट्रिक ऑक्टुपोल (E3) ट्रांजिशन पर संचालित दो $^{171}\text{Yb}^+$ घड़ियाँ $7.7 \times 10^{-18}$ की अनसर्टेन्टी के भीतर सहमत हुईं।
- यह पिछले GNSS-आधारित तुलना (ROCIT 2022) की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार है, जिसकी अनसर्टेन्टी $2.8 \times 10^{-16}$ थी।
- यह परिणाम स्वतंत्र रूप से निर्मित आयन घड़ियों की $10^{-18}$ स्तर पर निरंतरता की पुष्टि करता है।
$^{199}\text{Hg}$ क्लॉक प्रदर्शन:
- LNE-OP की $^{199}\text{Hg}$ क्लॉक की तुलना $^{171}\text{Yb}^+$ (E3), $^{171}\text{Yb}$ , और $^{87}\text{Sr}$ घड़ियों से की गई।
- परिणामों ने $10^{-17}$ स्तर पर संदर्भ मानों (जो 2021 के लीस्ट-स्क्वेयर्स एडजस्टमेंट से प्राप्त हुए थे) के साथ सहमति दिखाई।
- अभियान ने $^{199}\text{Hg}/^{171}\text{Yb}^+$ और $^{199}\text{Hg}/^{87}\text{Sr}$ रेश्यो के लिए नए, कम अनसर्टेन्टी वाले प्रत्यक्ष मापन प्रदान किए।
$^{171}\text{Yb}$ लैटिस क्लॉक निरंतरता:
- INRIM की $^{171}\text{Yb}$ लैटिस क्लॉक $2.2 \times 10^{-17}$ के भीतर PTB की $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) क्लॉक के साथ सहमत हुई, जो 2022 ROCIT अभियान के साथ पुनरुत्पादकता (reproducibility) की पुष्टि करती है।
विसंगतियां और विसंगतताएं (Anomalies and Inconsistencies):
- PTB-Sr3: इस घड़ी ने एक फ्रीक्वेंसी शिफ्ट प्रदर्शित किया (संभवतः क्लॉक लेजर के कारण) जिसे पूर्वव्यापी रूप से सुधारा नहीं जा सका। फलस्वरूप, इसके एब्सोल्यूट फ्रीक्वेंसी रेश्यो की रिपोर्ट नहीं की गई, हालांकि इसके इंस्टेबिलिटी डेटा का उपयोग नेटवर्क के शॉर्ट-टर्म प्रदर्शन का आकलन करने के लिए किया गया था।
- $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ विसंगति: INRIM/NPL $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ रेश्यो और BACON सहयोग (NIST/JILA) के पिछले मापन के बीच $4\sigma$ की विसंगति देखी गई, हालांकि यह RIKEN और नए BACON डेटा के अनुरूप है। यह विभिन्न परमाणु प्रजातियों के रेश्यो की निरंतरता में चल रही चुनौतियों को रेखांकित करता है।

5. महत्व (Significance)

SI पुनर्निर्धारण का मार्ग: ये परिणाम SI सेकंड के पुनर्निर्धारण की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम हैं। वे प्रदर्शित करते हैं कि अंतर्राष्ट्रीय मेट्रोलॉजी समुदाय सीमाओं के पार $10^{-18}$ के करीब अनसर्टेन्टी के साथ ऑप्टिकल घड़ियों की तुलना विश्वसनीय रूप से कर सकता है, जो एक ऑप्टिकल ट्रांजिशन को नए समय मानक के रूप में अपनाने के लिए एक पूर्व शर्त है।
फाइबर नेटवर्क की परिपक्वता: यह अध्ययन सिद्ध करता है कि यूरोपीय ऑप्टिकल फाइबर नेटवर्क एक मजबूत, उच्च-अपटाइम इंफ्रास्ट्रक्चर है जो नगण्य लिंक-प्रेरित अनसर्टेन्टी के साथ जटिल, मल्टी-नोड मेट्रोलॉजी अभियानों का समर्थन करने में सक्षम है।
मेट्रोलॉजी से परे: यहाँ प्रदर्शित तकनीक व्यापक वैज्ञानिक अनुप्रयोगों का समर्थन करती है, जिसमें शामिल हैं:
- भूविज्ञान (Geodesy): जियोपोटेंशियल अंतर को मापने के लिए क्रोनोमेट्रिक लेवलिंग।
- मौलिक भौतिकी (Fundamental Physics): सामान्य सापेक्षता (General Relativity) का परीक्षण, डार्क मैटर की खोज, और मौलिक स्थिरांकों (fundamental constants) के परिवर्तनों का पता लगाना।
- क्वांटम संचार: लंबी दूरी के क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन और रेडियो टेलीस्कोप को फ्रीक्वेंसी वितरण को सक्षम करना।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र वैश्विक मेट्रोलॉजी में एक मील का पत्थर है, जो यह प्रमाणित करता है कि स्वतंत्र ऑप्टिकल घड़ियों की अंतर्राष्ट्रीय स्तर पर अभूतपूर्व सटीकता के साथ तुलना की जा सकती है, जिससे भविष्य के "ऑप्टिकल सेकंड" की व्यवहार्यता सिद्ध होती है।