두 개의 하와이 산 정상에서 NIST가 Ultra를 입증하다

Sep 14, 2023

정확한 시간 유지는 통신 및 전력망 네트워크부터 정밀 감지 및 과학 연구에 이르기까지 전 세계의 수많은 시스템을 동기화하는 데 중요한 역할을 합니다. 전통적으로 이 프로세스는 원자 시계를 활용하는 위성과 통신하여 달성됩니다. 이 시계는 세슘이나 루비듐과 같은 특정 원소에서 나오는 원자의 공명 주파수를 읽어 시간을 알 수 있습니다.

광학 시계로 알려진 이 차세대 기술은 스트론튬 및 이테르븀과 같은 공진 주파수가 더 높은 요소를 활용하며 측정을 위해 레이저 시스템이 필요합니다. 가장 중요한 것은 광학 시계가 훨씬 더 높은 수준의 시간 유지 정밀도를 제공한다는 것입니다.

이 기사에서는 충실도를 희생하지 않고도 광학 시계를 동기화하기 위해 NIST(National Institute of Standards and Technology)에서 최근 개발한 새로운 프로세스를 검토합니다.

작년에 하와이 산꼭대기에서 NIST 연구진은 대규모 자유 공간 네트워크가 기존 지상 기반 광학 시계와 미래 우주를 상호 연결하는 데 도움이 될 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 개발하기 위해 광학 시간 전송에 대한 실험을 수행했습니다. 기반의 광학 시계.

연구원들은 마우나 로아 화산에 레이저 모듈을 배치하고 마우이의 할레아칼라 봉우리에 위치한 반사경을 가리켰습니다. 약 150km 거리에 걸쳐 과학자들은 미래의 우주 기반 임무에 적합한 전력 수준으로 공기를 통해 매우 정확한 시간 신호를 전송했습니다.

연구자들은 이 시스템이 지상 기지국에서 지구 위 36,000km(정지 동기 궤도)에 있는 위성으로 시간 전송을 가능하게 하여 광학 시계를 펨토초(1000분의 1초) 단위의 정확도로 효과적으로 동기화할 수 있다고 제안합니다. NIST에 따르면 이는 최첨단 접근 방식에 비해 약 10,000배 더 높은 정밀도를 제공합니다. 또한 시스템은 충실도를 잃지 않으면서 최소한의 타이밍 신호 강도만 사용하여 작동할 수 있으므로 대기 교란을 완화하는 데 매우 견고합니다.

이러한 종류의 정밀도로 먼 거리에 있는 기기를 동기화하면 특히 물리학 영역에서 새로운 가능성의 보고가 열리고 과학자들에게 우주 구조에 대한 더 깊은 이해를 향한 길을 제공합니다. 예를 들어, 이 방법은 일반 상대성 이론을 테스트하는 데 도움이 될 수 있으며 암흑 물질의 구성에 대한 통찰력을 제공할 수도 있습니다. 광학 시계 외부에서 멀리 떨어져 있는 센서 배열을 연결하면 블랙홀 이미징을 개선하는 데 사용할 수 있는 매우 긴 기준선 간섭계(VLBI)를 발전시킬 수 있습니다.

위성을 세계 반대편에 있는 광학 시계에 연결하는 NIST의 방법은 SI를 더 작은 덩어리로 분할하여 광학 표준에 이어 두 번째로 재정의할 수 있습니다. 이는 주파수 빗으로 알려진 발전 덕분에 가능합니다.

주파수 빗은 높은 정확도로 측정된 매우 미세하게 분리된 파장을 생성할 수 있는 빛의 눈금자로 종종 설명되는 노벨상 수상 발견입니다. 이 기술을 사용하여 과학자들은 광학 시계의 원자에 정확하게 에너지를 공급하고 테라헤르츠 진동 주파수를 더 낮은 주파수로 변환할 수 있습니다.

실험을 위해 NIST 팀은 시간 프로그래밍 가능 주파수 빗이라고 불리는 개선된 버전의 주파수 빗을 개발했습니다. NIST 볼더 캠퍼스 물리학자이자 논문 저자 중 한 명인 Laura Sinclair에 따르면, 이 방법은 정밀 작동을 위해 고정 펄스 간격을 사용해야 하는 주파수 빗의 규칙을 깨뜨려 과학자들이 극도로 정확한 결과를 얻을 수 있게 해준다고 합니다. 시스템에 작업할 빛이 거의 없는 경우에도 결과가 나타납니다.

시간 프로그래밍이 가능한 주파수 빗 덕분에 연구자들은 단지 40 마이크로와트의 전력과 동기화 장치에 필요한 최소한의 신호 강도(양자 한계라고 함)만 사용하여 왕복 300km에 걸쳐 마우나 로아에서 할레아칼라까지 신호를 보낼 수 있었습니다. . 이 실험에서 신호는 지상에서 정지 궤도로 이동할 때 발생할 수 있는 것보다 더 많은 대기 교란을 통과했습니다.