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

완벽한 한 번의 '틱'을 향한 경주

시간을 하나의 강물이라고 상상해 보십시오. 수 세기 동안 우리는 마이크로파 신호(GPS에서 사용하는 것과 같은)에 기반한 원자시계라는 단순하고 신뢰할 수 있지만 약간은 흔들리는 뗏목을 사용하여 그 흐름을 측정해 왔습니다. 이 시계들은 훌륭하지만, 얼마나 안정적일 수 있는지에 대한 한계가 있습니다. 최근 과학자들은 마이크로파 대신 빛을 사용하는 '광학(optical)' 시계를 구축했습니다. 이 새로운 시계들은 고속 경주용 보트와 같습니다. 이들은 기존의 것들보다 수십만 배 더 자주 '틱' 하고 울리며 믿을 수 없을 정도로 빠르고 정밀합니다. 하지만 여기에는 함정이 있습니다. 완벽한 시간 척도(전 세계의 공식적인 시간과 같은)를 유지하려면 '플라이휠(flywheel)'이 필요합니다. 즉, 조향 장치(초정밀 시계)가 재충전이나 교정을 위해 잠시 쉬는 동안에도 배가 부드럽게 움직이도록 유지해 주는 안정적인 엔진이 필요합니다.

현재 우리가 가진 최고의 플라이휠은 여전히 오래된 마이크로파 뗏목(수소 마이저)입니다. 이것들은 튼튼하지만, 단기적으로는 너무 많이 흔들립니다. 이는 여러분이 초정밀 광학 시계를 가지고 있더라도, 오래된 플라이휠이 전체 시스템을 끌어내려 시계의 진정한 완벽함을 가리는 '노이즈 플로어(noise floor)'를 만들기 때문에 그 성능을 온전히 활용할 수 없음을 의미합니다. 시간 측정 분야의 큰 질문은 이것입니다: 빛 자체로 만들어진 새로운 종류의 플라이휠을 만들 수 있을 것인가? 만약 가능하다면, 우리는 최고의 광학 시계만큼 안정적인 시간 척도를 만들 수 있으며, 이는 잠재적으로 '초(second)' 자체의 재정의로 이어질 수 있습니다. 이것이 이 논문의 연구자들이 해결하고자 했던 과제입니다.

올-옵티컬(All-Optical) 타임 머신

이 연구에서 JILA, NIST, 그리고 Vector Atomic의 과학자 팀은 오래되고 흔들리는 마이크로파 플라이휠을 사용하는 것을 멈추고, 아주 파격적인 시도를 하기로 했습니다. 그들은 완전히 빛으로 구동되는 세 개의 별도 시간 척도를 구축했습니다. 시간을 확인하는 사이사이에 시간을 유지하기 위해 수소 마이저에 의존하는 대신, 그들은 세 가지 서로 다른 '광학 플라이휠'을 사용했습니다. 두 개는 초저온 실리콘 캐비티(실리콘으로 만든 거울이 미세한 떨림을 멈추도록 절대 영도 근처까지 냉각된 것)이고, 하나는 상용 요오드 광학 시계입니다.

이 빛 기반의 엔진들이 궤도를 벗어나지 않도록 유지하기 위해, 팀은 매우 신뢰할 수 있는 스트론튬 광격 격자 시계(strontium optical lattice clock)를 '조향 장치'로 사용했습니다. 이 마스터 시계는 세 개의 플fly휠 속도를 점검하고, 이들이 동기화되도록 미세한 조정을 수행했습니다. 연구팀은 이 실험을 20일 이상 진행하며, 이 세 가지 올-라이트(all-light) 시간 척도가 서로 얼마나 잘 비교되는지 관찰했습니다.

결과는 엄청난 진전이었습니다. 세 시간 척도를 비교했을 때, 이들은 놀라울 정도로 가깝게 유지되었습니다. 단 몇 일간의 평균화만으로도 상대적 불안정성은 $10^{-16}$ 미만으로 떨어졌는데, 이는 전통적인 마이저 기반 시스템이 달성하는 데 몇 주가 걸릴 수준의 정밀도입니다. 더욱 인상적인 것은, 20일 전체 기간 동안 세 척도 사이의 총 시간 차이가 100 피코초(0.0000000001초) 미만이었다는 점입니다. 이를 체감하기 위해 설명하자면, 영화를 보고 있을 때 이 오차는 영화의 프레임 하나가 빠진 것조차 눈치채지 못할 정도로 작습니다.

또한 연구진은 이 빛 기반 신호를 다시 라디오 신호(현재의 전자 기기들이 사용하는 방식)로 변환하면서도 정확도를 잃지 않는다는 것을 보여주었습니다. 그들은 빛을 라디오파로 변환하는 과정에서 발생하는 오차가 2 피코초 미만임을 발견했으며, 이는 이 새로운 시스템이 기존 기술과 소통할 준비가 되었음을 입증합니다.

하지만 논문은 이것이 모든 것을 하룻밤 사이에 해결해 주는 마법 지팡이는 아니라는 점을 주의 깊게 명시하고 있습니다. 이 시스템은 여전히 조향을 수행하기 위해 스트론튬 시계가 사용 가능해야 합니다. 마스터 시계가 휴식을 취할 때(한 번에 약 6시간 정도 발생함), 시간 척도들은 약간씩 어긋나며 간격당 약 20 피코초의 차이를 축적했습니다. 그럼에도 불구하고, 이 성능은 현재 기술로 가능한 수준보다 훨씬 뛰어났습니다. 저자들은 광학 플라이휠이 더 신뢰할 수 있게 되고 마스터 시계가 더 오래 작동하게 됨에 따라, 이러한 올-옵티컬 시간 척도가 미래의 표준이 되어 결국 오래된 마이크로파 기반 시스템을 완전히 대체할 수 있다고 제안합니다.

요약하자면, 이 논문은 완전히 빛의 세계에서 살아가는 시간 척도를 구축하는 것이 가능하다는 것을 보여주며, 이는 오래된 마이크로파 방식으로는 도저히 따라잡을 수 없는 안정성을 제공합니다. 이는 시간 측정의 미래가 우리가 생각했던 것보다 조금 더 밝게 빛날 수 있다는 것을 보여주는 개념 증명(proof-of-concept)입니다.