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

De Race voor de Perfecte Tik

Stel je tijd voor als een rivier. Eeuwenlang hebben we de stroming ervan gemeten met een eenvoudige, betrouwbare, maar lichtjes wiebelende vlot: de atoomklok gebaseerd op microgolfsignalen (zoals die in je GPS). Deze klokken zijn goed, maar ze hebben een limiet aan hoe stabiel ze kunnen zijn. Onlangs hebben wetenschappers "optische" klokken gebouwd die licht gebruiken in plaats van microgolven. Deze nieuwe klokken zijn als snelle racemotoren; ze zijn ongelooflijk snel en precies, en tikken honderdduizenden keren vaker dan de oude. Maar er is een addertje onder het gras. Om een perfecte tijdschaal te behouden (zoals de officiële tijd voor de hele wereld), heb je een "vliegwiel" nodig—een stabiele motor die de boot soepel in beweging houdt, zelfs wanneer het stuur (de ultra-precieze klok) even pauze neemt om op te laden of te kalibreren.

Momenteel zijn de beste vliegwielen die we hebben nog steeds de oude microgolf-vlotten (waterstofmasers). Ze zijn stevig, maar ze wiebelen te veel op de korte termijn. Dit betekent dat zelfs als je een superprecieze optische klok hebt, je de kracht ervan niet volledig kunt benutten omdat het oude vliegwiel het hele systeem naar beneden trekt, waardoor een "ruisvloer" ontstaat die de ware perfectie van de klok verbergt. De grote vraag in de wereld van de tijdmeting is: Kunnen we een nieuw soort vliegwiel bouwen dat gemaakt is van licht zelf? Als dat lukt, zouden we een tijdschaal kunnen creëren die even stabiel is als de beste optische klokken, wat potentieel kan leiden tot een herdefinitie van de seconde zelf. Dit is de uitdaging waar de onderzoekers in dit artikel zich op hebben gericht.

De All-Optische Tijdmachine

In dit onderzoek besloten een team wetenschappers van JILA, NIST en Vector Atomic te stoppen met het gebruik van de oude, wiebelende microgolf-vliegwielen en probeerden iets radicaals: ze bouwden drie afzonderlijke tijdschalen die volledig op licht draaien. In plaats van te vertroukken op waterstofmasers om de tijd bij te houden tussen de controles door, gebruikten ze drie verschillende "optische vliegwielen": twee superkoude siliciumcaviteiten (denk aan spiegels gemaakt van silicium die tot vlakbij het absolute nulpunt zijn afgekoeld om het trillen te stoppen) en één commerciële jodium-optische klok.

Om deze lichtgebaseerde motoren op koers te houden, gebruikte het team een zeer betrouwbare strontium-optische roosterklok als "stuurwiel". Deze masterklok controleerde de snelheid van de drie vliegwielen en maakte minuscule aanpassingen om ze synchroon te houden. Het team voerde dit experiment meer dan 20 dagen lang uit en observeerde hoe goed deze drie all-licht tijdschalen met elkaar vergeleken.

De resultaten waren een enorme stap voorwaarts. Wanneer de drie tijdschalen werden vergeleken, bleven ze ongelooflijk dicht bij elkaar. Na slechts enkele dagen van middeling daalde hun relatieve instabiliteit tot onder de $10^{-16}$, een precisieniveau dat een traditioneel maser-gebaseerd systeem weken zou kosten om te bereiken. Nog indrukwekkender: het totale tijdsverschil tussen de drie schalen over de gehele periode van 20 dagen was minder dan 100 picoseconden (dat is 0,0000000001 seconden). Om dit in perspectief te plaatsen: als je een film zou kijken, is deze fout zo klein dat je niet eens zou merken dat er een enkel beeldje ontbrak.

De onderzoekers toonden ook aan dat ze deze lichtgebaseerde signalen zonder verlies van nauwkeurigheid konden omzetten in radiosignalen (het soort dat ons huidige elektronica gebruikt). Ze ontdekten dat het proces van het omzetten van licht naar radiogolven minder dan 2 picoseconden aan fout toevoegde, wat bewijst dat dit nieuwe systeem klaar is om met onze bestaande technologie te communiceren.

De paper merkt echter voorzichtig op dat dit geen toverstaf is die alles van de ene op de andere dag oplost. Het systeem vertrouwt nog steeds op de beschikbaarheid van de strontiumklok om het sturen te doen. Wanneer de masterklok een pauze nam (wat ongeveer 6 uur per keer gebeurde), weken de tijdschalen iets uit elkaar en cumuleerden ze een verschil van ongeveer 20 picoseconden per onderbreking. Maar zelfs met deze onderbrekingen was de prestatie veel superieur aan wat mogelijk is met de huidige technologie. De auteurs suggereren dat naarmate optische vliegwielen betrouwbaarder worden en de masterklokken langer draaien, deze all-optische tijdschalen de toekomstige standaard voor het bijhouden van de tijd kunnen worden, om uiteindelijk de oude microgolf-gebaseerde systemen volledig te vervangen.

Kortom, het artikel demonstreert dat het mogelijk is om een tijdschaal te bouwen die volledig leeft in de wereld van het licht, en die een niveau van stabiliteit biedt dat de oude microgolfmethoden simpelweg niet kunnen evenaren. Het is een bewijs van concept dat de toekomst van de tijdmeting misschien wel een stukje helderder schijnt dan we dachten.