Tra le montagne delle Hawaii, scienziati innovativi mostrano tempi di precisione al limite quantistico.
L’anno scorso, gli scienziati sono saliti sul vulcano Mauna Loa alle Hawaii, hanno puntato un laser su un riflettore posizionato sul picco Haleakala a Maui e hanno irradiato rapidi impulsi di luce laser attraverso 150 chilometri di aria turbolenta.
Sebbene gli impulsi fossero estremamente deboli, hanno dimostrato una capacità a lungo ricercata dai fisici: trasmettere segnali di temporizzazione estremamente precisi attraverso l’aria tra luoghi remoti a potenze compatibili con future missioni spaziali.
La sincronizzazione degli orologi in tutto il pianeta con una precisione al femtosecondo potrebbe diventare realtà applicando una tecnica a pettine di frequenza laser recentemente sviluppata al NIST. Il team ha testato la propria tecnica trasmettendo impulsi a pettine di frequenza tra le montagne su due isole delle Hawaii, dimostrando la fedeltà necessaria per collegare gli orologi via satellite anche se il segnale è molto debole. Il metodo del team, che potrebbe rendere la sincronizzazione di orologi distanti 10.000 volte più accurata di quanto possiamo ottenere attualmente, potrebbe contribuire a testare la relatività generale, ridefinendo il secondo in uno standard ottico e future ricerche di materia oscura. Immagine di credito: B. Hayes/NIST
I risultati, ottenuti da un team che comprende scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST), potrebbero consentire il trasferimento del tempo dal suolo ai satelliti a 36.000 chilometri di distanza in orbita geostazionaria, dove rimangono stazionari sopra un punto sulla superficie terrestre.
Il metodo consentirebbe questa sincronizzazione temporale con una precisione al femtosecondo, 10.000 volte migliore rispetto agli attuali approcci satellitari all’avanguardia.
Consentirebbe inoltre una sincronizzazione riuscita utilizzando la forza minima del segnale di temporizzazione, che renderebbe il sistema estremamente robusto di fronte ai disturbi atmosferici.
Il coordinamento di array di dispositivi distanti a questo livello sostanzialmente più elevato offre diverse possibilità intriganti.
Mentre gli orologi atomici ottici all’avanguardia sono straordinariamente precisi, il confronto tra orologi separati da continenti e la loro sincronizzazione richiede un metodo di segnalazione in grado di trasmettere tale precisione su grandi distanze, e gli attuali metodi basati sulle microonde non forniscono la fedeltà necessaria.
La conduzione dell’esperimento ha richiesto configurazioni fisiche in due punti delle Hawaii. In senso antiorario dall’alto a sinistra ci sono: l’osservatorio di Mauna Loa, con l’edificio a cupola utilizzato dal team a destra; i membri del team che guidano su Mauna Loa; il riflettore posizionato su Haleakala; la sala di controllo sotto la cupola di Mauna Loa; e i telescopi all’interno della cupola di Mauna Loa che venivano usati per trasmettere la luce laser. Credito immagine: L. Sinclair/NIST
Il nuovo approccio potrebbe consentire di collegare orologi ottici sui lati opposti del pianeta attraverso un satellite geosincrono senza alcuna penalità di questo tipo, supportando la futura ridefinizione del secondo SI a un norma ottica.
Il collegamento di orologi atomici ottici in tutto il mondo potrebbe anche portare a una serie di misurazioni fisiche fondamentali, dall’esplorazione della materia oscura alla verifica della relatività generale.
Non tutte le possibilità richiederebbero orologi atomici ottici: la capacità di sincronizzare una serie di sensori ampiamente separati potrebbe far avanzare l’interferometria di base molto lunga (VLBI) per applicazioni come l’imaging migliorato dei buchi neri.
“Questo tipo di rilevamento coerente distribuito sarebbe senza precedenti”, ha affermato Laura Sinclair, fisica presso il campus di Boulder del NIST e autrice del documento di ricerca del team, che appare oggi sulla rivista Natura.
“Prevediamo di utilizzare questi array di sensori per guardare in alto nello spazio e in basso verso la Terra. L’implementazione di questi array dipende dal collegamento di orologi ottici estremamente accurati e i nostri risultati indicano che ora disponiamo di uno strumento in grado di farlo».
L’esperimento ha dimostrato che il segnale orario ad alta frequenza fornito da un orologio ottico può essere inviato e ricevuto dalla creazione più recente del team, il pettine di frequenza programmabile nel tempoche è un’innovazione su tecnologia a pettine di frequenza. È stato questo nuovo pettine di frequenza a rendere possibili i risultati, ha affermato Sinclair.
“La funzionalità estesa del pettine di frequenza programmabile nel tempo ci ha permesso di effettuare queste misurazioni”, ha affermato Sinclair. “Non avremmo potuto ottenere questi risultati senza di essa.”
Un raggio di luce che viaggia dalla Terra all’orbita geostazionaria deve passare attraverso gli strati spesso nuvolosi e torbidi della nostra atmosfera.
Per dimostrare in linea di principio la capacità del segnale di raggiungere un satellite senza perdersi durante il transito, il team ha installato il suo nuovo pettine di frequenza e un riflettore su due montagne distanti 150 km: in alto sul fianco del Mauna Loa e sulla sommità dell’Haleakala, entrambe alle Hawaii.
L’invio della luce del pettine a frequenza programmabile nel tempo a Haleakala e la ricezione del riflesso hanno dimostrato che il segnale potrebbe penetrare molto più problemi atmosferici di quanti ne incontrerebbe viaggiando verso l’orbita geosincrona.
Non solo il viaggio di andata e ritorno ha avuto successo, ma lo ha fatto anche con la minima potenza del segnale necessaria per sincronizzare i dispositivi, un’intensità che i fisici chiamano “limite quantico”.
Come hanno mostrato nel loro lavoro precedenteil pettine di frequenza programmabile nel tempo dei ricercatori è in grado di operare a questo limite quantico, dove meno di un fotone su un miliardo raggiunge il suo dispositivo bersaglio.
Ha funzionato anche quando il laser inviava solo 40 microwatt di potenza, o circa 30 volte meno di un puntatore laser. (Gli impulsi del pettine di frequenza sono luce infrarossa, invisibile ad occhio nudo.)
“Volevamo spingere il sistema ai suoi limiti e abbiamo dimostrato che è possibile mantenere un alto livello di prestazioni utilizzando una potenza di trasmissione e dimensioni di apertura realistiche per i futuri sistemi satellitari”, ha affermato Sinclair.
«La robustezza di questo sistema per funzionare bene non solo quando riceviamo meno di un miliardesimo della luce che trasmettiamo, ma anche quando la quantità di luce che perdiamo cambia rapidamente, fa ben sperare per formare la spina dorsale temporale delle future reti di rilevamento».
Guardando al futuro, il team del NIST sta lavorando per ridurre le dimensioni, il peso e la potenza del suo sistema e per adattarlo al funzionamento con piattaforme mobili.
ED Caldwell, J.‑D. Deschenes, J. Ellis, WC Swann, BK Stuhl, H. Bergeron, NR Newbury e LC Sinclair. Trasferimento di tempo ottico quantistico limitato per futuri collegamenti geosincroni. Natura. Pubblicato online il 21 giugno 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06032-5
Fonte: NIST
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