Polska i Niemcy łączą swoje najlepsze zegary; powstaje światłowodowy „most czasu”

Zdjęcie: Dr Piotr Morzyński

Polska i Niemcy połączyły swoje laboratoria światłowodem, umożliwiając porównania najdokładniejszych zegarów w obu krajach. To pierwszy krok w kierunku stworzenia europejskiej sieci centrów pomiaru czasu.

Dokładność pomiaru czasu ma dziś wpływ na nawigację, bankowość, bezpieczeństwo narodowe, a nawet pomaga przewidywać trzęsienia ziemi.

„Od kilkudziesięciu lat na świecie nie ma jednego, niezawodnego zegara wzorcowego – odpowiednika kilograma z Sèvre – z którym wszystkie zegary na świecie musiałyby się synchronizować” – powiedział PAP fizyk prof. Michał Zawada z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika. Dodał, że obecnie, aby uzyskać wzorzec czasu, trzeba móc porównywać pomiary między zegarami z różnych części świata w czasie rzeczywistym i uśredniać ich obliczenia.

Do tej pory sygnał radiowy wystarczał do porównywania pomiarów czasu. Teraz staje się jasne, że to już nie wystarcza – niezbędne stają się odpowiednio przygotowane sieci światłowodowe.

Dlatego Polska zaangażowała się w pionierskie działania na rzecz tworzenia takich międzynarodowych mostów. Jesienią ubiegłego roku, w ramach europejskiej sieci GÉANT, uruchomiono pierwsze międzynarodowe akademickie łącze światłowodowe Pathfinder o długości około 690 km. Składa się ono ze światłowodów dostarczonych przez polską sieć PIONIER (około 270 km) i dzierżawionych przez sieć GÉANT w Niemczech (około 420 km). Most światłowodowy łączy Narodowy Instytut Metrologii w Brunszwiku z Poznańskim Centrum Superkomputerowo-Sieciowym. W PCSS most łączy się z niekomercyjną siecią optyczną PIONIER, która istnieje w Polsce od dziesięcioleci i łączy największe polskie ośrodki akademickie.

W ten sposób pomiary czasu wykonane w Brunszwiku są przesyłane na przykład na Uniwersytet Mikołaja Kopernika, gdzie działają dwa najdokładniejsze zegary w Polsce – optyczne zegary atomowe, lub do Głównego Urzędu Miar w Warszawie, który utrzymuje oficjalny czas w Polsce.

CZAS BIEGA

Ale po co nam superdokładne zegary? Równomierne tykanie zegarów wahadłowych i ruch kół zębatych w zegarkach nakręcanych mogą być przydatne do pomiaru minut, ale nie radzą sobie z ułamkami sekundy – kluczowymi na przykład w sporcie zawodowym. Dlatego zegary kwarcowe pojawiły się na rynku pół wieku temu, a ich kryształowe „serce” biło 32 000 uderzeń na sekundę.

Jednak nawet to tempo jest zbyt wolne, aby obliczać czas w nawigacji GPS, bankowości czy zastosowaniach wojskowych. Dlatego zegary atomowe, mierzące czas na podstawie tempa wzbudzenia atomów, stały się standardem pomiaru czasu. Takie zegary w GUM, PCSS i Borówcu tykają dziesięć milionów miliardów razy na sekundę (10 do potęgi minus 16 sekund).

Ale to nie jest granica precyzji: „wahadło” optycznych zegarów atomowych, działających na przykład na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika, tyka miliard miliardów razy na sekundę (jest sto razy dokładniejsze niż w zegarach atomowych).

Okazuje się, że jeśli potrafimy mierzyć czas z taką precyzją, stają się dostępne obliczenia dotyczące bardzo nieoczywistych właściwości Wszechświata – na przykład tych związanych z grawitacją. Jak wiemy z teorii Einsteina, grawitacja zakrzywia czasoprzestrzeń – czas płynie wolniej w pobliżu masywnych obiektów i szybciej w oddalaniu się od nich. Oznacza to, że zegar na Pałacu Kultury i Nauki chodzi nieco szybciej niż zegarki na nadgarstkach warszawiaków wsiadających do metra. Te różnice nie mają znaczenia w życiu codziennym. Ale jeśli umiemy mierzyć tak drobne różnice w czasie, można je wykorzystać w wielu zaawansowanych technologiach.

CZAS NA RATUNEK I RATUNEK W CZASIE

Na przykład japońscy naukowcy używają ultradokładnych zegarów do przewidywania trzęsień ziemi. „Kiedy rozkład mas pod ziemią ulega zmianie – na przykład, gdy kaldera pod wulkanem wypełnia się lawą – pole grawitacyjne w tym miejscu ulega zmianie, w wyniku czego czas płynie tam nieco wolniej. Porównując zegar na aktywnym wulkanie z zegarem w stabilnym miejscu, okazuje się, że się one rozsynchronizują – jeden zaczyna chodzić inaczej niż drugi” – opisuje profesor Zawada. Dzięki temu powstanie system, który będzie ostrzegał mieszkańców na czas i pozwoli im przygotować się na trzęsienie ziemi.

Optyczne zegary atomowe pomogą również w budowie ultraprecyzyjnych naziemnych systemów nawigacyjnych. Kryptografia kwantowa i bankowość również mogą na tym skorzystać, umożliwiając jeszcze szybszą kontrolę sekwencji transakcji. Astronomowie korzystający z radioteleskopów potrzebują również informacji o precyzyjnym czasie obserwowanych zjawisk. Potrzebują również zegarów do dokładnego pomiaru odległości i mas kosmicznych – mają nadzieję na poprawę dokładności pomiarów czasu.

Jednakże jest oczywiste, że mierzenie czasu z większą precyzją ma większy sens tylko wtedy, gdy możemy porównać go z pomiarami w innych miejscach na świecie.

Prof. Zawada wyjaśnia, że wykorzystanie w tym projekcie istniejących, komercyjnych sieci światłowodowych byłoby nie tylko kosztowne, ale i trudne do wdrożenia – podczas ich budowy i konserwacji naukowcy muszą mieć stały dostęp do infrastruktury światłowodowej, aby zapewnić prawidłową replikację i mnożenie fotonów na łączach.

Na przykład na całej długości polsko-niemieckiego mostu Pathfinder rozmieszczono 10 punktów wzmocnienia sygnału oraz przemiennik częstotliwości. Do budowy mostu wykorzystano sprzęt transmisyjny dostarczony przez PCSS, opracowany i wyprodukowany w Polsce we współpracy z Akademią Górniczo-Hutniczą i PCSS.

Badacz z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika zauważa jednak, że największym wyzwaniem projektu były kwestie biurokratyczne i polityczne: jak formalnie zorganizować budowę światłowodu przekraczającego granice państwowe. Udało się jednak. Naukowcy mają nadzieję, że inne kraje pójdą w ich ślady. Teraz czas na kolejnych partnerów.

Zegarmistrz światła fioletowego

Jak działa optyczny zegar atomowy, dla którego zbudowano połączenie Pathfinder? Aby wzbudzić atom określonego pierwiastka – wynieść jego elektron na wyższy poziom – należy dostarczyć mu kwant światła o ściśle określonej częstotliwości – liczbie drgań fali świetlnej na sekundę. Każdy kolor to z kolei nieco inne „wahadło fotonowe”. Jeśli znajdziemy kolor, który wzbudza dany atom (a atomy nie zmieniają swoich preferencji), mamy standard czasu. Możemy wysłać fotony o tych właściwościach do innego laboratorium i na przykład porównać, jak różnią się kolory wzbudzające w różnych miejscach i warunkach.

W przeszłości pomiary z zegarów atomowych (np. na satelitach) porównywano za pomocą fal radiowych. Jednak precyzja optycznych zegarów atomowych jest w tym medium całkowicie tracona. To tak, jakby pytać kogoś, która godzina, w papierowym liście wysłanym pocztą. To bez sensu. Dlatego potrzebne jest medium zdolne do szybkiego przesyłania niezmienionych fotonów o określonej częstotliwości (liczbie drgań na sekundę) na duże odległości. A to wymaga połączenia światłowodowego o odpowiednich parametrach.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomal (PAP)

lt/ bar/ amac/