NASI NAUKOWCY PRACUJĄ NAD BEZSTRATNYM PRZESYŁANIEM CZĘSTOTLIWOŚCI OPTYCZNEJ NAJNOWOCZEŚNIEJSZYCH ZEGARÓW

Niedawno poznaliśmy wyniki kolejnych edycji konkursów Sonata i Opus Narodowego Centrum Nauki.

Wśród laureatów Opus 24 znalazł się projekt kierowany przez Pana dr. hab. inż. Przemysława Krehlika, prof. AGH z Instytutu Elektroniki.

Zespół w składzie dr hab. inż. Przemysław Kerehlik, prof. AGH, dr hab. inż. Łukasz Śliwczyński i dr inż. Łukasz Buczek ubiegał się o finansowanie projektu „Algorytmy i rozwiązania sprzętowe dla synchronizacji i dystrybucji optycznych zegarów atomowych poprzez światłowodowe sieci telekomunikacyjne”. Projekt otrzymał dofinansowanie w kwocie 938 180 zł.

Imponująca precyzja
Optyczne zegary atomowe to szybko rozwijające się instrumenty (instalacje), które pod względem
stabilności i dokładności znacznie przewyższają tradycyjne mikrofalowe zegary atomowe (takie jak
zegary rubidowe lub cezowe). Sygnałem wyjściowym zegara optycznego jest światło, którego częstotliwość (w zakresie 200 – 500 THz) jest niezwykle stabilna i dokładnie zdefiniowana, ze względną niepewnością zwykle poniżej 10^-17. Oznacza to, że odmierzają czas z dokładnością do jednej sekundy w ciągu miliarda lat!

Imponujący rozwój optycznych zegarów atomowych ujawnił problem lokalności wytwarzanego wzorca częstotliwości, którego nie można łatwo wysłać poza laboratorium utrzymujące zegar, bez poważnej degradacji jakości. Ograniczenie to wydaje się być dominującym czynnikiem spowalniającym dalszy postęp w rozwoju zegarów i ich szerokie wykorzystanie w nauce i technice. Stosunkowo dojrzała technologia przenoszenia częstotliwości optycznej na poziomie dokładności wymaganym przez zegary optyczne opiera się na wykorzystaniu dedykowanych włókien światłowodowych i zorganizowaniu specjalnych systemów redukcji szumów w celu ograniczenia skutków zaburzeń propagacyjnych występujących podczas transmisji sygnału. Jednak rzeczywisty dostęp do dedykowanych włókien jest poważnie ograniczony i/lub niezwykle kosztowny.

Badania podjęte w ramach projektu naukowców z Instytutu Elektroniki ukierunkowane są na opracowanie rozwiązań (zarówno algorytmów przetwarzania sygnałów, jak i urządzeń sprzętowych) pozwalających na przesyłanie częstotliwości optycznej najnowocześniejszych zegarów za pośrednictwem standardowych optycznych sieci telekomunikacyjnych, obecnych praktycznie we wszystkich ośrodkach akademickich i centrach zaawansowanych technologii.

Pomyślna realizacja projektu wyznaczy drogę do powszechnego dostępu do częstotliwości odniesienia z dokładnością do 17 cyfr dziesiętnych, czyli z niepewnością względną 0,00000000000000001 lub mniejszą.

Rewolucjonizują nasze życie
Mimo, że większość osób nie ma bezpośredniego dostępu do optycznych zegarów atomowych, ich istnienie i rozwój mają wpływ na różne dziedziny naszego życia. Precyzyjne mierzenie czasu i doskonalenie technologii związanych z optycznymi zegarami atomowymi przyczyniają się do poprawy naszej nawigacji, komunikacji, badań naukowych i rozwoju nowych technologii, co w konsekwencji wpływa na naszą jakość życia. Oto kilka przykładów ich zastosowania:

– współczesne systemy nawigacji. Optyczne zegary atomowe są kluczowe dla działania systemów nawigacji satelitarnej, takich jak GPS. Dzięki precyzyjnym zegarom atomowym możliwe jest dokładne określenie pozycji i czasu, co umożliwia precyzyjne nawigowanie samochodami, nawigację lotniczą, a nawet korzystanie z nawigacji w smartfonach.

– telekomunikacja. Optyczne zegary atomowe są niezwykle istotne w sieciach światłowodowych. Sygnały świetlne, które przesyłane są w tych sieciach, muszą być zsynchronizowane w bardzo precyzyjny sposób. Optyczne zegary atomowe umożliwiają synchronizację sieci telekomunikacyjnych, zapewniając niezawodne przesyłanie danych na dużą odległość.

– badania naukowe. Zegary atomowe mają ogromne znaczenie w badaniach naukowych, zwłaszcza w fizyce, astronomii i geodezji. Precyzyjne mierzenie czasu pozwala na badanie fundamentalnych praw natury, badanie oddziaływań cząstek elementarnych oraz dokładne określanie odległości kosmicznych. To z kolei prowadzi do lepszego zrozumienia naszego świata i wszechświata.

– poprawa technologii. Precyzyjne mierzenie czasu ma zastosowanie w synchronizacji sieci teleinformatycznych, badaniach materiałowych, a także w rozwoju nowych technologii, takich jak komputery kwantowe.

Naszym naukowcom gratulujemy i życzymy inspirujących odkryć i przełomowych wyników.