Tim Tiongkok menyinkronkan jam dengan laser melalui jarak rekor

Fisikawan telah menemukan cara untuk menyinkronkan detak dua jam di udara dengan sangat tepat melalui rekor jarak 113 kilometer.

Prestasi ini merupakan langkah menuju pendefinisian ulang detik menggunakan jam optik—jam tangan yang 100 kali lebih akurat daripada jam atom yang menjadi dasar Coordinated Universal Time (UTC) saat ini.

Ahli metrologi berharap untuk menggunakan jam optik untuk mendefinisikan kembali yang kedua pada tahun 2030. Tetapi satu rintangan yang menghalangi mereka adalah kebutuhan untuk menemukan cara yang dapat diandalkan untuk mengirimkan sinyal antara jam optik di laboratorium di berbagai benua untuk membandingkan output mereka. Dalam praktiknya, ini mungkin berarti bahwa waktu jam ditransmisikan melalui udara dan ruang angkasa ke satelit. Namun, ini merupakan tantangan karena atmosfer mengganggu sinyal.

Sebuah tim yang dipimpin oleh Jian-Wei Pan, seorang fisikawan di Universitas Sains dan Teknologi China di Hefei, berhasil mengirimkan pulsa cahaya laser yang tepat antar jam di stasiun yang terpisah 113 kilometer di provinsi Xinjiang, China.¹. Itu tujuh kali lipat dari rekor sebelumnya² dari 16 kilometer.

Hasilnya dipublikasikan di Alam¹ pada tanggal 5 Oktober adalah “luar biasa,” kata David Gozzard, fisikawan eksperimental di University of Western Australia di Perth. Mencapai sinkronisasi tingkat tinggi pada jarak di udara ini “merupakan kemajuan signifikan dalam mencapai itu antara satelit dan darat,” tambahnya.

Menyinkronkan jam yang sangat presisi di tempat yang sulit dijangkau juga dapat bermanfaat di tempat lain dalam penelitian, kata Tetsuya Ido, direktur Laboratorium Standar Ruang-Waktu di Radio Research Institute di Tokyo. Misalnya, jam dapat digunakan untuk menguji teori relativitas umum, yang menyatakan bahwa waktu akan berjalan lebih lambat di tempat yang gravitasinya lebih kuat, seperti di ketinggian rendah. Membandingkan detak dua jam optik bahkan dapat mengungkapkan perubahan halus dalam medan gravitasi yang disebabkan oleh pergerakan massa — misalnya, pergeseran lempeng tektonik — katanya.

Jam tangan generasi berikutnya

Sejak tahun 1967, detik telah ditentukan oleh jam atom menggunakan atom cesium-33: satu detik adalah waktu yang diperlukan untuk melintasi 9.192.631.770 siklus radiasi gelombang mikro yang diserap dan dipancarkan atom saat transisi antar keadaan tertentu. Jam optik saat ini menggunakan frekuensi “berdetak” yang lebih tinggi dari elemen seperti strontium dan iterbium, memungkinkan mereka untuk memecah waktu menjadi pecahan yang lebih halus.

Namun, waktu resmi tidak dapat dihasilkan hanya dengan satu jam. Ahli metrologi harus mengukur rata-rata kinerja ratusan arloji di seluruh dunia. Dalam jam cesium, waktu dapat ditransmisikan oleh sinyal gelombang mikro, tetapi radiasi gelombang mikro berfrekuensi terlalu rendah untuk mentransmisikan detak frekuensi tinggi dari jam optik.

Mengirim sinyal melalui udara pada panjang gelombang optik tidak semudah mengirim gelombang mikro, karena molekul di udara dengan mudah menyerap cahaya, secara drastis mengurangi kekuatan sinyal. Selain itu, turbulensi dapat membelokkan sinar laser dari target. Untuk membandingkan jam optik, fisikawan sebagian besar mengandalkan transmisi sinyal melalui kabel serat optik atau mengangkut arloji besar dan kompleks itu sendiri untuk membandingkannya secara berdampingan. Tetapi metode ini tidak praktis untuk menciptakan jenis jaringan global yang diperlukan untuk mendefinisikan yang kedua.

Tim Pan berhasil menggabungkan beberapa pengembangan yang lebih kecil, kata Gozzard. Untuk menghasilkan sinyal mereka, para peneliti menggunakan sisir frekuensi optik – perangkat yang menghasilkan pulsa sinar laser yang sangat stabil dan tepat – dan memperkuat output mereka dengan amplifier daya tinggi untuk meminimalkan kehilangan sinyal saat pulsa bergerak di udara. Tim juga menyetel dan mengoptimalkan penerima sehingga mereka dapat menangkap sinyal yang lemah dan secara otomatis melacak arah laser yang masuk.

Interval waktu siaran grup menggunakan dua panjang gelombang cahaya tampak dan mentransmisikan yang lain melalui tautan serat optik. Dengan membandingkan perbedaan kecil antara sinyal yang diterima di penerima, para peneliti menunjukkan bahwa mereka dapat menyebarkan detak selama berjam-jam dengan stabilitas yang cukup tinggi untuk kehilangan atau memperoleh hanya satu detik setiap 80 miliar tahun atau lebih. Akurasinya berada pada level jam optik.

Belum di sini

Meskipun metode transmisi ini adalah yang paling stabil bagi umat manusia hingga saat ini, Gozzard mengatakan bahwa metode ini perlu ditingkatkan lebih lanjut untuk mengimbangi stabilitas jam optik terbaik.

Keterbatasan lain adalah bahwa percobaan dilakukan di daerah terpencil dengan kondisi atmosfer yang optimal, kata Ido. “Kelembaban cukup rendah dan turbulensi udara bisa lebih tenang daripada di daerah perkotaan tradisional,” katanya. Studi masa depan perlu memverifikasi seberapa baik metode ini bekerja di tempat lain.

Tetapi eksperimen tersebut tampaknya merupakan proksi yang baik untuk mengirimkan sinyal semacam itu ke luar angkasa, kata Helen Margolis, fisikawan di National Physical Laboratory di Teddington, Inggris. Turbulensi yang diperkirakan 113 kilometer di darat sebanding dengan yang terjadi dalam perjalanan dari darat ke satelit, katanya.

Transmisi berbasis satelit akan menghadapi rintangan lain — jam akan mengorbit dengan kecepatan tinggi, menggeser frekuensi sinyal mereka, kata Gozzard.

Pan mengatakan ini adalah salah satu tantangan yang akan dihadapi timnya selanjutnya. Tim sebelumnya mengembangkan teknologi untuk a Satelit Komunikasi Kuantumdan sekarang menggunakan ini untuk mengembangkan cara mentransmisikan data antara jam optik di orbit geostasioner dan di darat.

Dengan jam optik di ruang angkasa, itu juga akan “mungkin untuk memberikan probe baru untuk fisika dasar, seperti perburuan materi gelap dan deteksi gelombang gravitasi,” tambah Pan.