International Optical Clock Comparison Using the European Optical Fiber Network

Questo articolo riporta un riuscito confronto internazionale di due mesi tra sette orologi ottici presso quattro istituti europei di metrologia tramite una rete in fibra, ottenendo incertezze nel rapporto di frequenza fino a $7.7\times10^{-18}$ e fornendo dati cruciali per la futura ridefinizione della seconda del SI.

L'essenziale

Immagina di avere gli orologi più perfetti al mondo. Non si tratta dei normali orologi da polso; sono orologi ottici che ticchettano con tale precisione che perderebbero o guadagnerebbero un solo secondo nell'intera età dell'universo. Gli scienziati hanno costruito questi incredibili misuratori del tempo in diversi paesi, ma per lungo tempo non sono riusciti a essere certi se l'orologio in Italia ticchettasse esattamente alla stessa velocità di quello in Germania o nel Regno Unito.

Questo articolo è come un pagellino di un'enorme "Olimpiade della misurazione del tempo" durata due mesi, tenuta all'inizio del 2023. Ecco cosa è successo, spiegato in modo semplice:

L'allestimento: Una rete ad alta velocità per il viaggio nel tempo

Di solito, per confrontare due orologi in paesi diversi, gli scienziati usano i satelliti (come il GPS). Ma i satelliti sono un po' come cercare di confrontare due orologi urlando attraverso un canyon ventoso; il segnale diventa un po' sfocato e il confronto non è perfetto.

Invece, questi scienziati hanno utilizzato una rete gigantesca e super-stabile di cavi in fibra ottica che si estende attraverso l'Europa. Immagina questa rete come un'"autostrada super" per la luce. Hanno collegato quattro importanti laboratori di metrologia (in Italia, Francia, Germania e Regno Unito) con questi cavi. Questo ha permesso loro di inviare il "ticchettio" di un orologio direttamente a un altro, senza la sfocatura dei satelliti.

I concorrenti: Sette orologi diversi

Sette orologi diversi hanno partecipato alla gara. Non erano tutti costruiti allo stesso modo:

• Alcuni utilizzavano Itterbio (un metallo) intrappolato come un singolo ione (come una minuscola biglia galleggiante).
• Altri utilizzavano atomi di Stronzio o Mercurio intrappolati in un "reticolo" (come un nido d'ape fatto di luce).
• Funzionavano su diversi tipi di "transizioni" (modi in cui gli atomi saltano tra i livelli energetici), il che è come se diversi marchi di orologi utilizzassero ingranaggi interni diversi.

Il grande risultato: Il controllo dei "Gemelli"

Il risultato più entusiasmante è arrivato dal confronto tra due orologi costruiti indipendentemente in due paesi diversi (uno nel Regno Unito, uno in Germania). Entrambi erano orologi a ioni di Itterbio che utilizzavano un tipo specifico e molto complesso di ticchettio (chiamata transizione "E3").

• Il Risultato: Si sono accordati perfettamente tra loro, entro un margine di errore minuscolo (meno di 1 parte su 100 quadrilioni).
• L'Analogia: Immagina due maestri orologiai in città diverse costruiscono un orologio da zero. Inviando i loro orologi in un luogo neutrale. Quando li confrontano, le lancette sono nella posizione esatta, fino a una frazione dello spessore di un capello. Questa è stata la prima volta che due orologi ottici costruiti indipendentemente in paesi diversi sono stati dimostrati in accordo a questo livello di precisione.

L'orologio al Mercurio: Un nuovo campione

L'orologio in Francia, che utilizza il Mercurio, è stato anche un protagonista di spicco. È stato confrontato con tutti gli altri orologi della rete. I risultati hanno mostrato che l'orologio al Mercurio è incredibilmente stabile e affidabile, fornendo nuove misurazioni altamente precise su come il suo "ticchettio" si confronta con gli orologi all'Itterbio e allo Stronzio.

Perché questo è importante (secondo l'articolo)

L'articolo spiega che il mondo sta attualmente cercando di ridefinire il "secondo". Attualmente, il secondo è definito dagli orologi a microonde (il vecchio standard). Gli scienziati vogliono passare a questi nuovi orologi ottici super-precisi.

Tuttavia, prima di poter cambiare la definizione di un secondo, bisogna dimostrare che ogni orologio ottico nel mondo è d'accordo su cosa sia un secondo. Se l'orologio a Parigi dice che "un secondo" è leggermente diverso dall'orologio a Londra, non si può cambiare la regola.

Questo esperimento ha dimostrato che:

1. La rete funziona: I cavi in fibra ottica sono così buoni da non alterare il confronto. Sono essenzialmente invisibili alla misurazione.
2. Gli orologi sono d'accordo: Diversi tipi di orologi ottici, costruiti da team diversi in paesi diversi, stanno tutti indicando lo stesso tempo con incredibile accuratezza.

Il "bug" nel sistema

L'articolo menziona anche un orologio (un orologio allo Stronzio in Germania) che aveva una "malattia". È stato influenzato da un problema con il laser che ha spostato leggermente il suo tempo. Gli scienziati non sono riusciti a correggere questo problema a posteriori, quindi non hanno incluso i suoi numeri finali nei risultati principali. Tuttavia, lo hanno comunque utilizzato per verificare quanto fossero stabili gli altri orologi, perché anche con la sua malattia, era molto costante nel breve termine.

La conclusione

Questo articolo è un giro di vittoria per la scienza internazionale. Dimostra che abbiamo costruito una "rete del tempo" attraverso l'Europa così precisa da poter finalmente fidarci che i nostri migliori orologi siano tutti sincronizzati. Questo è un passo cruciale verso l'aggiornamento della definizione ufficiale del tempo stesso, assicurando che il "secondo" che useremo domani sia perfetto quanto gli orologi che abbiamo costruito oggi.

Sommario tecnico

1. Enunciato del Problema

Gli orologi ottici hanno raggiunto incertezze di frequenza frazionarie al livello di $10^{-18}$ e inferiori, rendendoli superiori alle attuali definizioni SI del secondo basate sulle microonde. Tuttavia, rimane un collo di bottiglia critico: verificare la coerenza internazionale di questi orologi.

• La Sfida: Mentre i confronti intra-laboratorio sono di routine, confrontare orologi ottici indipendenti in paesi diversi è difficile. Richiede collegamenti in fibra affidabili su lunghe distanze, un funzionamento sincronizzato di sistemi complessi multipli e il coordinamento dei bilanci di incertezza sistematica.
• L'Obiettivo: Per validare la ridefinizione del secondo SI basata su transizioni ottiche, la comunità scientifica deve dimostrare che gli orologi ottici sviluppati indipendentemente (utilizzando diverse specie atomiche e tecnologie) concordano tra loro al livello di $10^{-18}$ attraverso i confini internazionali.

2. Metodologia

Gli autori hanno condotto una campagna di confronto internazionale di orologi della durata di due mesi (24 febbraio – 1 maggio 2023) che ha coinvolto quattro Istituti Nazionali di Metrologia (INM) in Europa:

• Istituti: INRIM (Italia), LNE-OP (ex LNE-SYRTE, Francia), NPL (Regno Unito) e PTB (Germania).
• Infrastruttura: Il confronto ha sfruttato la rete europea di fibra ottica a fase stabilizzata (REFIMEVE), collegando:
  • LNE-OP a NPL (785 km)
  • LNE-OP a PTB (1370 km)
  • LNE-OP a INRIM (1023 km)
• Orologi Coinvolti (7 in totale):
  • Francia (LNE-OP): Orologio a reticolo ottico $^{199}\text{Hg}$ (SYRTE-Hg).
  • Regno Unito (NPL): Orologio a ioni $^{171}\text{Yb}^+$ (transizione E3) e orologio a reticolo ottico $^{87}\text{Sr}$.
  • Germania (PTB): Due orologi a ioni $^{171}\text{Yb}^+$ (transizioni E3 ed E2) e un orologio a reticolo ottico $^{87}\text{Sr}$.
  • Italia (INRIM): Orologio a reticolo ottico $^{171}\text{Yb}$.
• Analisi dei Dati:
  • I rapporti di frequenza sono stati calcolati confrontando le frequenze ottiche degli orologi tramite i collegamenti in fibra.
  • Le incertezze statistiche sono state valutate utilizzando bin giornalieri e inflazionate dal rapporto di Birge se la dispersione giornaliera superava le aspettative (indicando rumore eccessivo).
  • Le incertezze sistematiche includevano contributi dal pacchetto fisico di ciascun orologio, dal rumore statistico e dalle correzioni per il redshift relativistico.
  • I coefficienti di correlazione sono stati calcolati per tutte le coppie di misurazioni per tenere conto di errori sistematici condivisi (ad esempio, orologi di riferimento comuni).

3. Contributi Chiave

• Prima Verifica Internazionale Sotto $10^{-17}$: La campagna ha raggiunto il primo confronto internazionale di due orologi ottici sviluppati indipendentemente ($^{171}\text{Yb}^+$ E3) con un'incertezza inferiore a $1 \times 10^{-17}$.
• Integrazione di Rete su Larga Scala: Ha coordinato con successo il funzionamento simultaneo di 7 distinti orologi ottici in 4 paesi per 65 giorni, dimostrando la maturità della rete in fibra europea per la metrologia.
• Nuovi Rapporti di Frequenza: Ha fornito le prime misurazioni internazionali dirette di rapporti di frequenza che coinvolgono l'orologio $^{199}\text{Hg}$ contro gli orologi $^{171}\text{Yb}^+$ e $^{87}\text{Sr}$.
• Trasparenza dei Dati: Ha rilasciato un set di dati completo includente 11 rapporti di frequenza, matrici di correlazione e dati di instabilità, fungendo da punto di riferimento per i futuri sforzi di ridefinizione del SI.

4. Risultati Chiave

• Accordo $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) (NPL vs PTB):
  • I due orologi $^{171}\text{Yb}^+$ operanti sulla transizione ottupolare elettrica (E3) hanno concordato entro un'incertezza di $7.7 \times 10^{-18}$.
  • Questo rappresenta un miglioramento significativo rispetto al precedente confronto basato su GNSS (ROCIT 2022), che aveva un'incertezza di $2.8 \times 10^{-16}$.
  • Questo risultato conferma la coerenza di orologi a ioni costruiti indipendentemente al livello di $10^{-18}$.
• Prestazioni dell'Orologio $^{199}\text{Hg}$:
  • L'orologio $^{199}\text{Hg}$ del LNE-OP è stato confrontato con gli orologi $^{171}\text{Yb}^+$ (E3), $^{171}\text{Yb}$ e $^{87}\text{Sr}$.
  • I risultati hanno mostrato accordo con i valori di riferimento (derivati da un aggiustamento ai minimi quadrati del 2021) al livello di $10^{-17}$.
  • La campagna ha fornito nuove misurazioni dirette a incertezza inferiore per i rapporti $^{199}\text{Hg}/^{171}\text{Yb}^+$ e $^{199}\text{Hg}/^{87}\text{Sr}$.
• Coerenza dell'Orologio a Reticolo $^{171}\text{Yb}$:
  • L'orologio a reticolo $^{171}\text{Yb}$ dell'INRIM ha concordato con l'orologio $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) del PTB entro $2.2 \times 10^{-17}$, confermando la riproducibilità con la campagna ROCIT 2022.
• Anomalie e Incoerenze:
  • PTB-Sr3: Questo orologio ha mostrato uno spostamento di frequenza (probabilmente dovuto al laser dell'orologio) che non è stato possibile correggere retroattivamente. Di conseguenza, i suoi rapporti di frequenza assoluti non sono stati riportati, sebbene i suoi dati di instabilità siano stati utilizzati per valutare le prestazioni a breve termine della rete.
  • Discrepanza $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$: È stata osservata una discrepanza di $4\sigma$ tra il rapporto INRIM/NPL $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ e le misurazioni precedenti della collaborazione BACON (NIST/JILA), sebbene sia in linea con i dati RIKEN e i nuovi dati BACON. Ciò evidenzia le sfide in corso nella coerenza dei rapporti di diverse specie atomiche.

5. Significato

• Percorso verso la Ridefinizione del SI: Questi risultati sono un passo cruciale verso la ridefinizione del secondo SI. Dimostrano che la comunità metrologica internazionale può confrontare in modo affidabile gli orologi ottici attraverso i confini con incertezze che si avvicinano a $10^{-18}$, un prerequisito per l'adozione di una transizione ottica come nuovo standard temporale.
• Maturità della Rete in Fibra: Lo studio dimostra che la rete europea in fibra ottica è un'infrastruttura robusta e ad alta disponibilità, capace di supportare campagne metrologiche complesse e multi-nodo con incertezze indotte dal collegamento trascurabili.
• Oltre la Metrologia: La tecnologia dimostrata qui supporta applicazioni scientifiche più ampie, tra cui:
  • Geodesia: Livellazione cronometrica per la misurazione delle differenze di potenziale geodetico.
  • Fisica Fondamentale: Test della Relatività Generale, ricerca di materia oscura e rilevamento di variazioni nelle costanti fondamentali.
  • Comunicazione Quantistica: Abilitazione della distribuzione di chiavi quantistiche a lunga distanza e della distribuzione di frequenza verso radiotelescopi.

In conclusione, questo documento rappresenta un traguardo nella metrologia globale, validando la fattibilità di un futuro "secondo ottico" dimostrando che orologi ottici indipendenti possono essere confrontati a livello internazionale con una precisione senza precedenti.