정밀하게 동기화된 시계가 새로운 과학의 길을 열다

Nov 03, 2023

17세기 진자시계부터 원자 전이를 기반으로 한 최첨단 크로노미터에 이르기까지 시간을 표시하는 인간의 능력은 극적으로 발전했습니다. 연구원들은 이제 한 단계 더 나아가 이전에 필요했던 것보다 훨씬 적은 전력을 사용하여 수백 킬로미터 거리에 걸쳐 두 개의 시계가 절묘하게 동기화될 수 있음을 보여주었습니다. 이러한 발전은 지구 구조에 대한 측지 조사와 암흑 물질 및 중력파 검색을 용이하게 할 수 있는 동기화된 지상 및 우주 기반 시계의 네트워크를 만드는 길을 열었습니다.

"이렇게 많은 숫자가 있으면 꽤 재밌어요."

엘리트 운동선수를 제외한 대부분의 사람들은 1초보다 짧은 시간에 대해 생각하지 않습니다. 그러나 콜로라도주 볼더에 있는 국립표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology)의 물리학자인 로라 싱클레어(Laura Sinclair)는 정기적으로 완전히 다른 시간 영역, 즉 펨토초에 관심을 갖고 있습니다. 1펨토초는 100만분의 1000(1000분의 1초), 즉 소수점 이하 15자리입니다. 심지어 컴퓨터 프로그램조차도 그 수준의 정밀도를 처리하는 데 어려움을 겪는 경우가 많다고 Sinclair는 말했습니다. "이렇게 많은 숫자가 있으면 꽤 재밌어요."

Sinclair와 그녀의 동료들은 이제 하와이에서 레이저 광 펄스를 사용하여 두 개의 시계를 더 짧은 펨토초인 아토초 수준까지 정확하고 효율적으로 동기화하는 실험을 수행했습니다.

또 다른 연구팀은 최근 113km 거리에서 유사한 연결을 시연했지만, 그들의 실험에는 훨씬 더 많은 양의 전력과 대기 난류를 보상하는 특수 장비가 필요했습니다.

새로운 실험에서 Sinclair와 그녀의 동료들은 하와이 빅 아일랜드의 Mauna Loa 북쪽 측면에 있는 대기 연구 기지인 Mauna Loa Observatory에서 작업했습니다. 연구팀은 각각 초당 2억 번 빛의 펄스를 생성하는 두 개의 레이저를 마우이의 할레아칼라 정상에 위치한 작은 망원경을 향해 발사했습니다. 망원경의 수정된 광학 장치는 왕복 약 300km에 달하는 빛을 다시 마우나 로아로 반사했으며, Sinclair와 그녀의 동료들은 매우 정밀한 시계의 "틱"과 같은 기능을 하는 개별 펄스의 도착 시간을 기록했습니다.

인근 마우나 케아에서 연구하는 천문학자들처럼 연구원들은 주로 밤에 데이터를 수집했습니다. 그러나 햇빛은 Sinclair와 그녀의 동료들이 피하고 싶어하는 것이 아니었습니다. 대신 팀은 구름을 피하려고 노력했습니다. 매일 아침 구름은 마우나 로아 천문대(약 3,400m) 높이까지 올라가 오후 5시에서 10시 사이에 천문대 아래로 다시 가라앉는 경향이 있습니다. 약한 레이저 빔은 구름과 상대가 되지 않는다고 Sinclair는 말했습니다. "150km의 구름이면 근적외선 레이저 광선을 차단할 수 있습니다."

연구원들은 두 레이저의 출력을 0.32펨토초(320아토초)의 정밀도로 동기화했습니다. 이는 다른 접근 방식으로 얻은 정밀도와 비교할 수 있지만 Sinclair와 그녀의 공동 작업자가 사용한 레이저는 270펨토와트, 즉 2억7천만분의 10억분의 1와트에 불과한 전력을 공급받았습니다. 이전에는 수십 나노와트의 전력이 필요했기 때문에 이러한 새로운 결과는 전력 사용이 대략 10,000배 향상되었음을 나타냅니다.

"여기서 정말 인상적인 점은 그들이 얼마나 적은 전력을 사용했는지입니다."

소위 양자 한계에 접근하는 이러한 효율성은 더 작은 하드웨어를 사용하여 시간을 동기화하는 것을 가능하게 하며, 이는 지상 기반 시계와 지구보다 훨씬 높은 궤도에 있는 시계를 하루 동안 연결하는 데 중요한 발전입니다.

이러한 발전은 Sinclair와 동료들이 개발한 시간 프로그래밍 가능 주파수 빗이라는 도구를 통해 가능해졌습니다. 이 장치는 레이저 펄스의 속도를 수정한다고 Sinclair는 말했습니다. "우리는 아토초 수준의 정밀도로 출력 시간과 위상을 동적으로 조정할 수 있습니다." 이를 통해 연구자들은 이전에 수행했던 것처럼 대부분의 빛을 버리는 대신 수신된 모든 빛을 사용하여 펄스 신호를 동기화할 수 있었습니다. 실험에서 빛이 낭비되면 더 많은 광자를 보내야 하므로 전력이 필요합니다. Sinclair와 그녀의 팀은 Nature에 결과를 보고했습니다.