ハワイの 2 つの山の頂上で NIST が超能力を証明

Sep 14, 2023

正確な計時は、電気通信や電力網ネットワークから高精度センシングや科学研究に至るまで、世界中の多数のシステムを同期する上で重要な役割を果たします。 従来、このプロセスは原子時計を利用した衛星と通信することで実現されていました。 これらの時計は、セシウムやルビジウムなどの特定の元素の原子の共鳴周波数を読み取ることで時間を知ることができます。

光時計として知られるこの次世代技術は、ストロンチウムやイッテルビウムなどのより高い共振周波数を持つ元素を利用しており、測定にはレーザー システムが必要です。 最も重要なことは、光時計ははるかに高いレベルの計時精度を提供することです。

この記事では、忠実度を犠牲にすることなく光クロックを同期するために米国標準技術研究所 (NIST) によって最近開発された新しいプロセスをレビューします。

昨年、NISTの研究チームは、大規模な自由空間ネットワークが既存の地上の光時計と将来の宇宙を相互接続するのに役立つ信頼性の高い方法を開発することを期待して、ハワイの山頂で光時間転送の実験を実施した。ベースの光時計。

研究者らはレーザーモジュールをマウナロア火山に設置し、マウイ島のハレアカラ山頂にある反射板に向けた。 約 150 キロメートルの距離にわたって、科学者たちは、将来の宇宙ベースのミッションに適合する可能性のある出力レベルで、空気を介して非常に正確な時間信号を送信しました。

研究者らは、このシステムにより、地上の基地局から地球上空3万6千キロメートル（静止軌道上）に配置された衛星への時刻転送が可能になり、フェムト秒（1京分の1秒）単位の精度で光時計を効果的に同期させることができる可能性があると示唆している。 NIST によると、これにより、最先端のアプローチと比較して約 1 万倍高い精度が得られるとのことです。 さらに、同社のシステムは、忠実度をまったく失わずに、最小限のタイミング信号強度のみを使用して動作できるため、大気の乱れを軽減する点で非常に堅牢です。

この種の精度で広大な距離にある機器を同期させることは、特に物理学の分野で新たな可能性の宝庫を開き、科学者に宇宙の構造をより深く理解するための道を提供します。 たとえば、この方法は一般相対性理論のテストに役立ち、暗黒物質の組成についての洞察も得られます。 光時計の外では、遠く離れた位置にあるセンサーのアレイを接続すると、超長基線干渉法 (VLBI) が進歩し、ブラック ホール イメージングの改善に使用できる可能性があります。

衛星を地球の反対側にある光時計にリンクする NIST の方法は、SI 秒をさらに小さな塊に分割することで、光標準に対する SI 秒を再定義する可能性があります。 これは、周波数コムとして知られる進歩のおかげで可能になりました。

周波数コムはノーベル賞を受賞した発見であり、非常に細かく分離された波長を高精度で測定できる光の定規としてよく説明されます。 この技術を使用することで、科学者は光時計内の原子に正確にエネルギーを与え、テラヘルツ発振周波数をより低い周波数に変換することができます。

NIST のチームは実験のために、時間プログラム可能な周波数コムと呼ばれる周波数コムの改良版を開発しました。 NISTボルダーキャンパスの物理学者で論文著者の1人であるローラ・シンクレア氏によると、この方法は、精密な演算のために固定パルス間隔の使用を必要とする周波数コムの法則を破り、科学者が極めて正確な結果を得ることができるという。システムに使用できる光がわずかしかない場合でも、結果が得られます。

時間プログラム可能な周波数コムのおかげで、研究者は、わずか 40 マイクロワットの電力と、デバイスの同期に必要な最低限の信号強度 (量子限界として知られる) だけを使用して、往復 300 キロメートルでマウナ ロアからハレアカラまで信号を送信することができました。 。 この実験では、信号は地上から静止軌道までの潜在的な旅行で遭遇するよりも多くの大気の擾乱を透過しました。