International Optical Clock Comparison Using the European Optical Fiber Network

Este artigo relata uma comparação internacional bem-sucedida de dois meses entre sete relógios ópticos em quatro institutos europeus de metrologia, realizada por meio de uma rede de fibra óptica, alcançando incertezas na razão de frequência tão baixas quanto $7.7\times10^{-18}$ e fornecendo dados críticos para a futura redefinição do segundo do SI.

O essencial

Imagine que você possui os relógios mais perfeitos do mundo. Estes não são os seus relógios de pulso padrão; são relógios ópticos que tique-taqueiam com tanta precisão que apenas perderiam ou ganhariam um único segundo ao longo de toda a idade do universo. Cientistas construíram esses cronômetros incríveis em diferentes países, mas, por muito tempo, não puderam ter certeza se o relógio na Itália estava tique-taqueando exatamente na mesma velocidade que o da Alemanha ou do Reino Unido.

Este artigo é como um boletim de notas de uma "Olimpíada de Cronometragem" massiva, realizada ao longo de dois meses no início de 2023. Eis o que aconteceu, explicado de forma simples:

O Cenário: Uma Rede de Viagem no Tempo de Alta Velocidade

Normalmente, para comparar dois relógios em países diferentes, os cientistas usam satélites (como o GPS). Mas os satélites são um pouco como tentar comparar dois relógios gritando através de um cânion ventoso; o sinal fica um pouco embaçado e a comparação não é perfeita.

Em vez disso, esses cientistas usaram uma gigantesca rede de cabos de fibra óptica superestável que se estende por toda a Europa. Pense nessa rede como uma "super-estrada" para a luz. Eles conectaram quatro laboratórios principais de metrologia (na Itália, França, Alemanha e Reino Unido) com esses cabos. Isso permitiu que eles enviassem o "tique" de um relógio diretamente para outro, sem a imprecisão dos satélites.

Os Concorrentes: Sete Relógios Diferentes

Sete relógios diferentes entraram na corrida. Eles não foram todos feitos da mesma maneira:

• Alguns usaram Érbio (um metal) preso como um único íon (como uma pequena esfera flutuante).
• Outros usaram átomos de Estrôncio ou Mercúrio presos em uma "rede" (como um favo de mel feito de luz).
• Eles operavam em diferentes tipos de "transições" (maneiras pelas quais os átomos saltam entre níveis de energia), o que é como diferentes marcas de relógio usarem engrenagens internas distintas.

A Grande Conquista: A Verificação dos "Gêmeos"

O resultado mais emocionante veio da comparação de dois relógios construídos independentemente em dois países diferentes (um no Reino Unido, outro na Alemanha). Ambos eram relógios de íons de Érbio usando um tipo específico e muito complexo de tique (chamado de transição "E3").

• O Resultado: Eles concordaram perfeitamente entre si, dentro de uma margem de erro minúscula (menos de 1 parte em 100 quatrilhões).
• A Analogia: Imagine dois mestres relojoeiros em cidades diferentes construindo um relógio do zero. Eles enviam seus relógios para um terreno neutro. Quando os comparam, os ponteiros estão na posição exata, até uma fração da largura de um fio de cabelo. Esta foi a primeira vez que dois relógios ópticos construídos independentemente em países diferentes foram comprovados como concordando nesse nível de precisão.

O Relógio de Mercúrio: Um Novo Campeão

O relógio na França, que usa Mercúrio, também foi um destaque. Ele foi comparado com todos os outros relógios da rede. Os resultados mostraram que o relógio de Mercúrio é incrivelmente estável e confiável, fornecendo novas medições altamente precisas de como seu "tique" se compara aos relógios de Érbio e Estrôncio.

Por Que Isso Importa (De Acordo com o Artigo)

O artigo explica que o mundo está atualmente tentando redefinir o "segundo". Atualmente, o segundo é definido por relógios de micro-ondas (o padrão antigo). Os cientistas querem mudar para esses novos relógios ópticos superprecisos.

No entanto, antes de poder mudar a definição de um segundo, é preciso provar que todo relógio óptico no mundo concorda sobre o que é um segundo. Se o relógio em Paris diz que "um segundo" é ligeiramente diferente do relógio em Londres, você não pode mudar a regra.

Este experimento provou que:

1. A Rede Funciona: Os cabos de fibra óptica são tão bons que não atrapalham a comparação. Eles são essencialmente invisíveis para a medição.
2. Os Relógios Concordam: Diferentes tipos de relógios ópticos, construídos por equipes diferentes em países diferentes, estão todos marcando a mesma hora com precisão incrível.

O "Bug" no Sistema

O artigo também menciona um relógio (um relógio de Estrôncio na Alemanha) que teve uma "doença". Ele foi afetado por um problema de laser que deslocou seu tempo ligeiramente. Os cientistas não puderam corrigir isso após o fato, então não incluíram seus números finais nos resultados principais. No entanto, eles ainda o usaram para verificar quão estáveis eram os outros relógios, porque, mesmo com sua doença, ele era muito estável a curto prazo.

A Conclusão

Este artigo é uma volta da vitória para a ciência internacional. Mostra que construímos uma "teia do tempo" através da Europa que é tão precisa que finalmente podemos confiar que nossos melhores relógios estão todos sincronizados. Este é um passo crucial para atualizar a definição oficial do tempo em si, garantindo que o "segundo" que usaremos amanhã seja tão perfeito quanto os relógios que construímos hoje.

Resumo técnico

1. Declaração do Problema

Os relógios ópticos alcançaram incertezas de frequência fracionária no nível de $10^{-18}$ e abaixo, tornando-os superiores às definições atuais do segundo SI baseadas em micro-ondas. No entanto, um gargalo crítico permanece: verificar a consistência internacional desses relógios.

• O Desafio: Embora comparações intra-laboratoriais sejam rotineiras, comparar relógios ópticos independentes em diferentes países é difícil. Requer enlaces de fibra de longa distância confiáveis, operação sincronizada de múltiplos sistemas complexos e a coordenação de orçamentos de incerteza sistemática.
• O Objetivo: Para validar a redefinição do segundo SI baseada em transições ópticas, a comunidade científica deve demonstrar que relógios ópticos desenvolvidos independentemente (usando diferentes espécies atômicas e tecnologias) concordam entre si no nível de $10^{-18}$ através das fronteiras internacionais.

2. Metodologia

Os autores conduziram uma campanha internacional de comparação de relógios de dois meses (24 de fevereiro a 1 de maio de 2023) envolvendo quatro Institutos Nacionais de Metrologia (INMs) na Europa:

• Institutos: INRIM (Itália), LNE-OP (anteriormente LNE-SYRTE, França), NPL (Reino Unido) e PTB (Alemanha).
• Infraestrutura: A comparação utilizou a rede europeia de fibra óptica estabilizada em fase (REFIMEVE), conectando:
  • LNE-OP a NPL (785 km)
  • LNE-OP a PTB (1370 km)
  • LNE-OP a INRIM (1023 km)
• Relógios Envolvidos (7 no Total):
  • França (LNE-OP): Relógio de rede óptica de $^{199}\text{Hg}$ (SYRTE-Hg).
  • Reino Unido (NPL): Relógio de íon de $^{171}\text{Yb}^+$ (transição E3) e relógio de rede óptica de $^{87}\text{Sr}$.
  • Alemanha (PTB): Dois relógios de íon de $^{171}\text{Yb}^+$ (transições E3 e E2) e um relógio de rede óptica de $^{87}\text{Sr}$.
  • Itália (INRIM): Relógio de rede óptica de $^{171}\text{Yb}$.
• Análise de Dados:
  • As razões de frequência foram calculadas comparando as frequências ópticas dos relógios através dos enlaces de fibra.
  • As incertezas estatísticas foram avaliadas usando bins diários e infladas pela razão de Birge se a dispersão diária excedesse as expectativas (indicando ruído excessivo).
  • As incertezas sistemáticas incluíram contribuições do pacote físico de cada relógio, ruído estatístico e correções de desvio para o vermelho relativístico.
  • Coeficientes de correlação foram calculados para todos os pares de medição para contabilizar erros sistemáticos compartilhados (por exemplo, relógios de referência comuns).

3. Principais Contribuições

• Primeira Verificação Internacional Sub-$10^{-17}$: A campanha alcançou a primeira comparação internacional de dois relógios ópticos desenvolvidos independentemente ($^{171}\text{Yb}^+$ E3) com uma incerteza abaixo de $1 \times 10^{-17}$.
• Integração de Rede em Grande Escala: Coordenou com sucesso a operação simultânea de 7 relógios ópticos distintos em 4 países ao longo de 65 dias, demonstrando a maturidade da rede de fibra europeia para metrologia.
• Novas Razões de Frequência: Forneceu as primeiras medições internacionais diretas de razões de frequência envolvendo o relógio de $^{199}\text{Hg}$ contra relógios de $^{171}\text{Yb}^+$ e $^{87}\text{Sr}$.
• Transparência de Dados: Liberou um conjunto de dados abrangente incluindo 11 razões de frequência, matrizes de correlação e dados de instabilidade, servindo como referência para futuros esforços de redefinição do SI.

4. Principais Resultados

• Concordância de $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) (NPL vs. PTB):
  • Os dois relógios de $^{171}\text{Yb}^+$ operando na transição de octupolo elétrico (E3) concordaram dentro de uma incerteza de $7.7 \times 10^{-18}$.
  • Esta é uma melhoria significativa em relação à comparação anterior baseada em GNSS (ROCIT 2022), que tinha uma incerteza de $2.8 \times 10^{-16}$.
  • Este resultado confirma a consistência de relógios de íons construídos independentemente no nível de $10^{-18}$.
• Desempenho do Relógio de $^{199}\text{Hg}$:
  • O relógio de $^{199}\text{Hg}$ do LNE-OP foi comparado com relógios de $^{171}\text{Yb}^+$ (E3), $^{171}\text{Yb}$ e $^{87}\text{Sr}$.
  • Os resultados mostraram concordância com valores de referência (derivados de um ajuste de mínimos quadrados de 2021) no nível de $10^{-17}$.
  • A campanha forneceu novas medições diretas de menor incerteza para as razões $^{199}\text{Hg}/^{171}\text{Yb}^+$ e $^{199}\text{Hg}/^{87}\text{Sr}$.
• Consistência do Relógio de Rede de $^{171}\text{Yb}$:
  • O relógio de rede de $^{171}\text{Yb}$ do INRIM concordou com o relógio de $^{171}\text{Yb}^+$ (E3) do PTB dentro de $2.2 \times 10^{-17}$, confirmando a reprodutibilidade com a campanha ROCIT de 2022.
• Anomalias e Inconsistências:
  • PTB-Sr3: Este relógio exibiu um deslocamento de frequência (provavelmente devido ao laser do relógio) que não pôde ser corrigido retrospectivamente. Consequentemente, suas razões de frequência absolutas não foram relatadas, embora seus dados de instabilidade tenham sido usados para avaliar o desempenho de curto prazo da rede.
  • Discrepância $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$: Uma discrepância de $4\sigma$ foi observada entre a razão $^{171}\text{Yb}/^{87}\text{Sr}$ do INRIM/NPL e medições anteriores da colaboração BACON (NIST/JILA), embora se alinhe com dados do RIKEN e dados mais recentes do BACON. Isso destaca desafios contínuos na consistência de razões de diferentes espécies atômicas.

5. Significado

• Caminho para a Redefinição do SI: Estes resultados são um passo crucial para a redefinição do segundo SI. Eles demonstram que a comunidade metrologia internacional pode comparar relógios ópticos através das fronteiras com incertezas próximas a $10^{-18}$, um pré-requisito para adotar uma transição óptica como novo padrão de tempo.
• Maturidade da Rede de Fibra: O estudo prova que a rede europeia de fibra óptica é uma infraestrutura robusta, com alta disponibilidade, capaz de suportar campanhas de metrologia complexas e multi-nós com incerteza induzida pelo enlace negligenciável.
• Além da Metrologia: A tecnologia demonstrada aqui apoia aplicações científicas mais amplas, incluindo:
  • Geodésia: Nivelamento cronométrico para medição de diferenças de potencial geodésico.
  • Física Fundamental: Testar a Relatividade Geral, procurar por matéria escura e detectar variações em constantes fundamentais.
  • Comunicação Quântica: Permitir a distribuição de chaves quânticas de longa distância e distribuição de frequência para radiotelescópios.

Em conclusão, este artigo representa uma conquista histórica na metrologia global, validando a viabilidade de um futuro "segundo óptico" ao provar que relógios ópticos independentes podem ser comparados internacionalmente com precisão sem precedentes.