Phase-continuous comparison of three all-optical time scales over 20 days

पूर्ण टिक (Perfect Tick) की दौड़

समय की कल्पना एक नदी के रूप में करें। सदियों से, हमने इसके प्रवाह को एक सरल, विश्वसनीय, लेकिन थोड़े डगमगाते हुए बेड़े (raft) का उपयोग करके मापा है: माइक्रोवेव संकेतों पर आधारित परमाणु घड़ी (जैसे कि आपके GPS में होते हैं)। ये घड़ियाँ अच्छी हैं, लेकिन उनकी स्थिरता की एक सीमा है। हाल ही में, वैज्ञानिकों ने "ऑप्टिकल" घड़ियाँ बनाई हैं जो माइक्रोवेव के बजाय प्रकाश का उपयोग करती हैं। ये नई घड़ियाँ उच्च-गति वाली रेसिंग नावों की तरह हैं; वे अविश्वसनीय रूप से तेज़ और सटीक हैं, जो पुरानी घड़ियों की तुलना में सैकड़ों-हजारों गुना अधिक बार 'टिक' करती हैं। हालाँकि, इसमें एक पेंच है। एक पूर्ण समय पैमाने (जैसे पूरी दुनिया के लिए आधिकारिक समय) को बनाए रखने के लिए, आपको एक "फ्लाईव्हील" (flywheel) की आवश्यकता होती है—एक स्थिर इंजन जो नाव को सुचारू रूप से चलते रहने में मदद करे, भले ही स्टीयरिंग व्हील (अति-सटीक घड़ी) रिचार्ज या कैलिब्रेशन के लिए ब्रेक ले रहा हो।

वर्तमान में, हमारे पास जो सबसे अच्छे फ्लाईव्हील उपलब्ध हैं, वे अभी भी पुराने माइक्रोवेव बेड़े (हाइड्रोजन मासर) हैं। वे मजबूत हैं, लेकिन अल्प अवधि में वे बहुत अधिक डगमगाते हैं। इसका मतलब यह है कि भले ही आपके पास एक सुपर-सटीक ऑप्टिकल घड़ी हो, आप उसकी पूरी शक्ति का उपयोग नहीं कर पाएंगे क्योंकि पुराना फ्लाईव्हील पूरे सिस्टम को पीछे खींच लेता है, जिससे एक "नॉइज़ फ्लोर" (noise floor) बन जाता है जो घड़ी की वास्तविक पूर्णता को छिपा देता है। समयkeeping की दुनिया में बड़ा सवाल यह है: क्या हम प्रकाश से बना एक नया प्रकार का फ्लाईव्हील बना सकते हैं? यदि हम ऐसा कर पाते हैं, तो हम एक ऐसा टाइम स्केल बना सकते हैं जो सर्वोत्तम ऑप्टिकल घड़ियों जितना ही स्थिर हो, जिससे संभावित रूप से स्वयं 'सेकंड' की पुनरपरिभाषा (redefinition) भी संभव हो सके। यही वह चुनौती है जिसे इस शोध पत्र के शोधकर्ताओं ने हल करने का प्रयास किया है।

ऑल-ऑप्टिकल टाइम मशीन

इस अध्ययन में, JILA, NIST और Vector Atomic के वैज्ञानिकों की एक टीम ने पुराने, डगमगाते माइक्रोवेव फ्लाईव्हील्स का उपयोग करना बंद करने और कुछ क्रांतिकारी करने का निर्णय लिया: उन्होंने तीन अलग-अलग टाइम स्केल बनाए जो पूरी तरह से प्रकाश पर चलते हैं। समय के अंतराल को भरने के लिए हाइड्रोजन मासरों पर निर्भर रहने के बजाय, उन्होंने तीन अलग-अलग "ऑप्टिकल फ्लाईव्हील्स" का उपयोग किया: दो अति-शीतल सिलिकॉन कैविटीज़ (सोचिए कि ये सिलिकॉन से बने दर्पण हैं जिन्हें लगभग परम शून्य (absolute zero) तक ठंडा किया गया है ताकि वे हिलना-डुलना बंद कर दें) और एक व्यावसायिक आयोडीन ऑप्टिकल क्लॉक।

इन प्रकाश-आधारित इंजनों को ट्रैक पर रखने के लिए, टीम ने एक अत्यधिक विश्वसनीय स्ट्रोंटियम ऑप्टिकल लैटिस क्लॉक का उपयोग एक "स्टीयरिंग व्हील" के रूप में किया। इस मास्टर क्लॉक ने तीनों फ्लाईव्हील्स की गति की जांच की और उन्हें तालमेल में रखने के लिए सूक्ष्म समायोजन किए। टीम ने इस प्रयोग को 20 से अधिक दिनों तक चलाया, और देखा कि ये तीन ऑल-लाइट टाइम स्केल आपस में कितनी अच्छी तरह तुलना करते हैं।

परिणाम एक बड़ी प्रगति थे। जब तीनों टाइम स्केल की तुलना की गई, तो वे अविश्वसनीय रूप से करीब रहे। केवल कुछ दिनों के औसत के बाद, उनकी सापेक्ष अस्थिरता (relative instability) $10^{-16}$ से नीचे गिर गई, जो एक स्तर की सटीकता है जिसे प्राप्त करने में पारंपरिक मासर-आधारित प्रणाली को हफ्तों लग जाते। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि पूरे 20-दिवसीय अवधि के दौरान तीनों स्केल्स के बीच कुल समय का अंतर 100 पिकोसेकंड (यानी 0.0000000001 सेकंड) से भी कम था। इसे समझने के लिए, यदि आप एक फिल्म देख रहे होते, तो यह त्रुटि इतनी छोटी होती कि आप नोटिस भी नहीं कर पाते कि एक फ्रेम गायब है।

शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि वे इन प्रकाश-आधारित संकेतों को वापस रेडियो संकेतों (जो हमारे वर्तमान इलेक्ट्रॉनिक्स द्वारा उपयोग किए जाते हैं) में बिना सटीकता खोए बदल सकते हैं। उन्होंने पाया कि प्रकाश को रेडियो तरंगों में बदलने की प्रक्रिया ने 2 पिकोसेकंड से भी कम की त्रुटि जोड़ी, जो यह सिद्ध करता है कि यह नया सिस्टम हमारी मौजूदा तकनीक से बात करने के लिए तैयार है।

हालाँकि, शोध पत्र सावधानीपूर्वक यह उल्लेख करता है कि यह कोई जादुई छड़ी नहीं है जो रातों-रात सब कुछ ठीक कर देगी। यह सिस्टम अभी भी इस बात पर निर्भर है कि स्ट्रोंटियम क्लॉक स्टीयरिंग करने के लिए उपलब्ध हो। जब मास्टर क्लॉक ने ब्रेक लिया (जो एक बार में लगभग 6 घंटे के लिए हुआ), तो टाइम स्केल थोड़े अलग हो गए, जिससे प्रत्येक अंतराल में लगभग 20 पिकोसेकंड का अंतर आया। लेकिन इन अंतरालों के बावजूद, प्रदर्शन वर्तमान तकनीक में जो संभव है उससे कहीं बेहतर था। लेखकों का सुझाव है कि जैसे-जैसे ऑप्टिकल फ्लाईव्हील अधिक विश्वसनीय होंगे और मास्टर क्लॉक लंबे समय तक चलेंगे, ये ऑल-ऑप्टिकल टाइम स्केल समय रखने का भविष्य बन सकते हैं, जो अंततः पुराने माइक्रोवेव-आधारित सिस्टमों को पूरी तरह से बदल देंगे।

संक्षेप में, यह शोध पत्र प्रदर्शित करता है कि एक ऐसा टाइम स्केल बनाना संभव है जो पूरी तरह से प्रकाश की दुनिया में रहता है, जो उस स्तर की स्थिरता प्रदान करता है जिसे पुराने माइक्रोवेव तरीके मुकाबला ही नहीं कर सकते। यह एक प्रमाण-अवधारणा (proof-of-concept) है कि समयकीपिंग का भविष्य शायद हमारी सोच से भी अधिक उज्ज्वल हो सकता है।