Polonia e Germania collegano i loro migliori orologi; creato un "ponte del tempo" in fibra ottica

Polonia e Germania hanno collegato i loro laboratori tramite fibra ottica, consentendo di confrontare le misurazioni degli orologi più precisi di entrambi i Paesi. Questo è il primo passo verso la creazione di una rete europea di centri di misurazione del tempo.

La precisione con cui oggi si misura il tempo influenza la navigazione, le attività bancarie, la sicurezza nazionale e aiuta persino a prevedere i terremoti.

"Da diversi decenni ormai, non esiste un unico orologio standard infallibile al mondo – un equivalente del chilogrammo standard di Sèvre – a cui tutti gli orologi del mondo debbano sincronizzarsi", ha dichiarato al PAP il fisico Prof. Michał Zawada dell'Università Niccolò Copernico. Ha aggiunto che oggi, per ottenere uno standard temporale, è necessario essere in grado di confrontare le misurazioni tra orologi di diverse parti del mondo in tempo reale e di mediare i loro calcoli.

Finora, un segnale radio era sufficiente per confrontare le misurazioni del tempo. Ora sta diventando chiaro che non è più sufficiente: reti in fibra ottica opportunamente predisposte stanno diventando necessarie.

Per questo motivo, la Polonia si è impegnata in attività pionieristiche per la creazione di ponti internazionali di questo tipo. Nell'ambito della rete europea GÉANT, lo scorso autunno è stata lanciata la prima connessione accademica internazionale in fibra ottica Pathfinder, che si estende per circa 690 km. È costituita da fibre ottiche fornite dalla rete polacca PIONIER (circa 270 km) e affittate dalla rete GÉANT in Germania (circa 420 km). Il ponte in fibra ottica collega l'Istituto Nazionale di Metrologia di Braunschweig con il Centro di Supercalcolo e Networking di Poznań. Nel PSNC, il ponte si collega alla rete ottica non commerciale PIONIER, che esiste in Polonia da decenni e collega i maggiori centri accademici polacchi.

In questo modo, le misurazioni del tempo effettuate a Braunschweig vengono inviate, ad esempio, all'UMK, dove operano i due orologi più precisi della Polonia: gli orologi atomici ottici. Oppure all'Ufficio Centrale delle Misure di Varsavia, che mantiene l'ora ufficiale della Polonia.

Perché abbiamo bisogno di orologi super precisi? Il ticchettio costante degli orologi a pendolo e il movimento degli ingranaggi degli orologi a carica manuale possono consentire loro di misurare bene i minuti, ma non riescono a gestire le frazioni di secondo, importanti, ad esempio, nello sport professionistico. Ecco perché gli orologi al quarzo sono entrati in gioco mezzo secolo fa, con il loro "cuore" di cristallo che batte a 32.000 battiti al secondo.

Eppure, anche questa velocità è troppo lenta per calcolare il tempo in base alle esigenze della navigazione GPS, delle applicazioni bancarie o militari. Ecco perché gli orologi atomici sono diventati lo standard per il tempo, la cui misurazione si basa sulla velocità delle eccitazioni atomiche. Tali orologi, al GUM, al PCSS o a Borówiec, ticchettano dieci milioni di miliardi di volte al secondo (10 alla potenza di meno 16 s).

Ma nemmeno questo è il limite della precisione: il "pendolo" degli orologi atomici ottici, in funzione ad esempio all'UMK, batte un miliardo di miliardi di volte al secondo (è cento volte più preciso rispetto agli orologi atomici).

Si scopre che se riusciamo a misurare il tempo con tale precisione, diventiamo disponibili calcoli riguardanti proprietà dell'Universo molto meno ovvie, ad esempio quelle relative alla gravità. Come sappiamo dalla teoria di Einstein, la gravità curva lo spazio-tempo: il tempo scorre più lentamente vicino a oggetti massivi e più velocemente lontano da essi. E questo significa che l'orologio del Palazzo della Cultura e della Scienza scorre un po' più velocemente degli orologi sulle lancette dei residenti di Varsavia che salgono in metropolitana. Queste differenze non hanno alcun significato nella vita di tutti i giorni. Ma se sappiamo come misurare differenze di tempo così piccole, possono essere utilizzate in molte tecnologie avanzate.

Ad esempio, gli scienziati giapponesi utilizzano orologi ultra-precisi per prevedere i terremoti. "Quando la distribuzione delle masse cambia nel sottosuolo – ad esempio, una caldera sotto un vulcano si riempie di lava – il campo gravitazionale in un dato luogo cambia e, di conseguenza, il tempo scorre, ad esempio, un po' più lentamente di prima. Confrontando un orologio su un vulcano attivo con un orologio che si trova in un luogo stabile, si scopre che si desincronizzano: uno dei due inizia a funzionare in modo diverso dall'altro", spiega il Prof. Zawada. Grazie a questo, si sta creando un sistema che allerterà tempestivamente i residenti e permetterà loro di prepararsi a un terremoto.

Gli orologi atomici ottici contribuiranno anche alla costruzione di sistemi di navigazione terrestre super-accurati. Anche la crittografia quantistica e il settore bancario potrebbero trarne beneficio, poiché saranno in grado di controllare l'ordine delle transazioni ancora più rapidamente. Anche gli astronomi che utilizzano i radiotelescopi necessitano di informazioni sull'ora esatta di un fenomeno osservato. Hanno anche bisogno di orologi per misurare con precisione distanze e masse cosmiche: contano sul miglioramento dell'accuratezza delle misurazioni del tempo.

È chiaro, tuttavia, che misurare il tempo con grande precisione ha più senso solo quando siamo in grado di confrontarlo con le misurazioni effettuate in altri luoghi del mondo.

Il Prof. Zawada spiega che utilizzare le reti commerciali in fibra ottica esistenti in questo progetto sarebbe non solo costoso, ma anche difficile da implementare: durante la costruzione e la manutenzione, gli scienziati devono avere accesso costante all'infrastruttura in fibra ottica per garantire che i fotoni vengano replicati e moltiplicati correttamente sui collegamenti.

Pertanto, lungo il percorso del Pathfinder polacco-tedesco sono posizionati 10 punti di amplificazione del segnale e un rigeneratore di trasferimento di tempo e frequenza. Per la costruzione di questo ponte sono stati utilizzati dispositivi di trasmissione forniti da PCSS, sviluppati e prodotti in Polonia in collaborazione con l'Università di Scienza e Tecnologia AGH e PCSS.

Il ricercatore dell'UMK sottolinea, tuttavia, che la sfida più grande del progetto è stata quella burocratica e politica: come organizzare formalmente la costruzione di un cavo in fibra ottica che attraversi i confini statali. Ciononostante, è stato un successo. Gli scienziati sperano che altri Paesi seguano la strada da loro intrapresa. Ora è il momento di coinvolgere altri partner.

Come funziona l'orologio atomico ottico, per il quale è stata creata la connessione Pathfinder? Per eccitare un atomo di un elemento specifico – per spostare il suo elettrone a un livello superiore – è necessario fornirgli un quanto di luce con una frequenza ben precisa, che corrisponde all'incirca al numero di vibrazioni dell'onda luminosa al secondo. Ogni colore è un "pendolo fotonico" che si muove in modo leggermente diverso. Se abbiamo trovato un colore che ecciterà un dato atomo (e gli atomi non cambiano nelle loro preferenze), significa che abbiamo uno standard temporale. Possiamo inviare fotoni con tali proprietà a un altro laboratorio e, ad esempio, confrontare come i colori eccitati differiscono tra loro in luoghi e condizioni diverse.

In passato, le misurazioni degli orologi atomici (ad esempio sui satelliti) venivano confrontate utilizzando le onde radio. Tuttavia, la precisione delle misurazioni degli orologi atomici ottici si perde completamente in questo mezzo. È come chiedere a qualcuno che ore sono in una lettera cartacea spedita per posta. Non ha senso. Pertanto, è necessario un mezzo in grado di trasferire rapidamente fotoni inalterati di una frequenza specifica (numero di vibrazioni al secondo) su una grande distanza. Ed è esattamente questo che serve a una connessione in fibra ottica con i parametri corretti.

La scienza in Polonia, Ludwika Tomal (PAP)

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