Sincronização de relógios ópticos chega ao padrão via satélite

Com informações da PhysicsWorld - 29/11/2022

A nova técnica garante que os relógios ficarão no mesmo segundo por 100 bilhões de anos.
[Imagem: J. Pan]

Distribuição tempo-frequência

Físicos chineses transferiram informações de tempo e frequência a uma distância recorde de 113 km no espaço livre, superando o recorde anterior em quase dez vezes.

A marca é importante porque, pela primeira vez, a informação dos relógios ópticos pode ser atualizada a uma distância suficiente para ser usada em comunicações via satélite.

Os relógios ópticos são uma versão ainda mais futurística dos já tradicionais relógios atômicos, uma vez que medem o tempo usando frequências da luz, que são até 100.000 vezes maiores do que as frequências de ressonância dos átomos usados nestes últimos.

Embora os relógios atômicos e ópticos venham batendo recordes de precisão até difíceis de imaginar, para que uma rede ou qualquer outra aplicação funcione com base neles é preciso desenvolver uma técnica para acertar esses relógios - em outras palavras, sincronizar o tique-taque de todos eles. Essa técnica é chamada de disseminação tempo-frequência, e foi nela que a equipe chinesa superou largamente o recorde anterior.

Além de estabelecer padrões mais elevados de metrologia, navegação e posicionamento, a técnica também tem aplicações para estudos básicos de física, como pesquisar a matéria escura, redefinir constantes fundamentais e testar a teoria da relatividade.

Relógio óptico

Um relógio óptico tem três componentes principais: Uma amostra de átomos ou íons, que transicionam entre níveis de energia em uma frequência de referência bem definida e altamente estável, na região do espectro eletromagnético da luz visível; um sistema de retroalimentação, que "bloqueia" a saída de um laser (chamado de oscilador local) para essa frequência de referência; e, finalmente, uma "régua de luz", tipicamente um pente de frequência a laser, com centenas de frequências definidas, emitidas com espaçamento uniforme, usado para medir as cores das ondas de luz com precisão.

Qi Shen e seus colegas da Universidade de Ciência e Tecnologia da China demonstraram a disseminação de tempo-frequência entre um sistema de retroalimentação e um pente de frequência separados por uma distância recorde de 113 km. Após 10.000 segundos, a instabilidade da frequência do relógio era menor que 4 × 10^-19, o que implica que os erros de comparação do relógio seriam mantidos em um segundo após 100 bilhões de anos.

Os pesquisadores observam que esse valor supera a referência necessária para redefinir a unidade fundamental do segundo, que deve ser discutida na Conferência Geral de Pesos e Medidas de 2026.

"Este trabalho abre o caminho para a disseminação de tempo-frequência via satélite," diz Pan, "Prevemos que links OFC [pente de frequência óptico] de espaço livre de longa distância, combinados com links de tempo-frequência baseados em fibras ópticas e via satélite, se tornarão importantes partes de futuras redes de relógios ópticos."

Além da redefinição do segundo, estima-se que redes de relógios ópticos sejam úteis para sistemas de navegação mais precisos que o atual GPS e viabilizem novos testes para desvendar a força da gravidade - recentemente, dois relógios atômicos mediram a dilatação do tempo prevista por Einstein na escala de 1 milímetro.

Como esgotaram os limites de seus equipamentos, agora os pesquisadores querem um satélite quântico mais poderoso.
[Imagem: Qi Shen et al. - 10.1038/s41586-022-05228-5]

Rede quântica via satélite

A equipe afirma que seu experimento só foi possível com a utilização do Micius, o primeiro satélite de comunicações quânticas, lançado em 2016, e que também está servindo para os primeiros experimentos visando uma futura internet quântica.

Tendo chegado ao limite dos equipamentos disponíveis, a equipe já está planejando a construção de um novo satélite de comunicações quânticas, que fique em uma órbita geoestacionária, permitindo a comunicação quântica via satélite em tempo integral.

"Esperamos que este sistema tenha uma instabilidade de tempo-frequência de menos de 5 × 10^-18 a 10.000 segundos," disse Pan. "Links de comparação de duas vias estão sendo estabelecidos com a estação na China e com a estação em outro continente, com as quais trabalhamos para este estudo, para realizar uma comparação de relógio óptico intercontinental. Este satélite está planejado para ser lançado em 2026."

Mais tópicos