Polen en Duitsland verbinden hun beste klokken; glasvezel 'tijdbrug' gecreëerd

Polen en Duitsland hebben hun laboratoria met glasvezel verbonden, waardoor metingen van de meest nauwkeurige klokken in beide landen kunnen worden vergeleken. Dit is de eerste stap naar een Europees netwerk van tijdmeetcentra.

De nauwkeurigheid waarmee tijd tegenwoordig wordt gemeten, heeft invloed op navigatie, bankieren, de nationale veiligheid en helpt zelfs bij het voorspellen van aardbevingen.

"Al tientallen jaren bestaat er geen enkele, onfeilbare standaardklok ter wereld – een equivalent van de Sèvre-kilogramstandaard – waaraan alle klokken ter wereld moeten worden gesynchroniseerd", vertelde natuurkundige prof. Michał Zawada van de Nicolaus Copernicus Universiteit aan PAP. Hij voegde eraan toe dat men, om een ​​tijdstandaard te verkrijgen, metingen tussen klokken uit verschillende delen van de wereld in realtime moet kunnen vergelijken en hun berekeningen moet middelen.

Tot nu toe was een radiosignaal voldoende om tijdmetingen te vergelijken. Nu wordt duidelijk dat dit niet langer voldoende is: hiervoor zijn goed voorbereide glasvezelnetwerken nodig.

Daarom is Polen betrokken geraakt bij pioniersactiviteiten om dergelijke internationale bruggen te creëren. Als onderdeel van het Europese GÉANT-netwerk werd afgelopen najaar de eerste internationale academische Pathfinder-glasvezelverbinding gelanceerd, met een lengte van circa 690 km. Deze bestaat uit glasvezels die worden geleverd door het Poolse PIONIER-netwerk (circa 270 km) en geleased door het GÉANT-netwerk in Duitsland (circa 420 km). De glasvezelbrug verbindt het Nationaal Metrologisch Instituut in Braunschweig met het Supercomputer- en Netwerkcentrum in Poznań. In PSNC sluit de brug aan op het niet-commerciële optische netwerk PIONIER, dat al tientallen jaren in Polen bestaat en de grootste Poolse academische centra met elkaar verbindt.

Zo worden tijdmetingen uit Braunschweig bijvoorbeeld doorgestuurd naar de UMK, waar de twee nauwkeurigste klokken van Polen werken: optische atoomklokken. Of naar het Centraal Bureau voor Wegen in Warschau, waar de officiële tijd van Polen wordt bijgehouden.

Waarom hebben we supernauwkeurige klokken nodig? Het constante tikken van slingeruurwerken en de beweging van tandwielen in opwindhorloges stellen ze misschien in staat om minuten goed te meten, maar ze kunnen geen fracties van een seconde aan – belangrijk bijvoorbeeld in de professionele sport. Daarom deden kwartsklokken een halve eeuw geleden hun intrede, met hun kristallen 'hart' dat 32.000 slagen per seconde sloeg.

En toch - zelfs deze snelheid is te traag om de tijd te berekenen voor gps-navigatie, bankieren of militaire toepassingen. Daarom zijn atoomklokken de standaard geworden voor tijdmeting, waarbij de tijdmeting gebaseerd is op de snelheid van atoomexcitaties. Zulke klokken in GUM, PCSS of Borówiec tikken tien miljoen miljard keer per seconde (10 tot de macht min 16).

Maar zelfs dit is niet de grens van de nauwkeurigheid: de 'slinger' van optische atoomklokken, die bijvoorbeeld bij het UMK werken, tikt een miljard miljard keer per seconde (honderd keer nauwkeuriger dan bij atoomklokken).

Het blijkt dat als we de tijd met zulke precisie kunnen meten, berekeningen mogelijk worden met betrekking tot zeer onvoor de hand liggende eigenschappen van het universum – bijvoorbeeld die met betrekking tot de zwaartekracht. Zoals we weten uit Einsteins theorie, kromt de zwaartekracht de ruimtetijd – de tijd verloopt langzamer in de buurt van zware objecten en sneller daar vandaan. En dit betekent dat de klok in het Paleis van Cultuur en Wetenschap iets sneller loopt dan de horloges op de wijzers van inwoners van Warschau die de metro nemen. Deze verschillen spelen geen rol in het dagelijks leven. Maar als we weten hoe we zulke kleine tijdsverschillen kunnen meten, kunnen ze worden gebruikt in veel geavanceerde technologieën.

Japanse wetenschappers gebruiken bijvoorbeeld supernauwkeurige klokken om aardbevingen te voorspellen. "Wanneer de massaverdeling onder de grond verandert – bijvoorbeeld wanneer een caldera onder een vulkaan zich vult met lava – verandert het zwaartekrachtveld op een bepaalde plek, waardoor de tijd daar bijvoorbeeld iets langzamer verstrijkt dan voorheen. Wanneer je een klok bij een actieve vulkaan vergelijkt met een klok op een stabiele plek, blijkt dat ze desynchroniseren – de ene klok begint anders te werken dan de andere", legt prof. Zawada uit. Hierdoor wordt een systeem ontwikkeld dat bewoners tijdig waarschuwt en hen in staat stelt zich voor te bereiden op een aardbeving.

Optische atoomklokken zullen ook helpen bij de ontwikkeling van supernauwkeurige grondnavigatiesystemen. Ook kwantumcryptografie en bankieren zouden hiervan kunnen profiteren, omdat ze de volgorde van transacties nog sneller kunnen controleren. Astronomen die radiotelescopen gebruiken, hebben ook informatie nodig over de exacte tijd van een waargenomen fenomeen. Ze hebben ook klokken nodig om kosmische afstanden en massa's nauwkeurig te meten - ze rekenen erop dat de nauwkeurigheid van tijdmetingen hierdoor zal verbeteren.

Het is echter duidelijk dat het meten van de tijd met grote precisie pas zinvol wordt als we deze kunnen vergelijken met metingen op andere plaatsen in de wereld.

Prof. Zawada legt uit dat het gebruik van bestaande commerciële glasvezelnetwerken in dit project niet alleen duur zou zijn, maar ook moeilijk te implementeren. Tijdens de aanleg en het onderhoud moeten wetenschappers namelijk voortdurend toegang hebben tot de glasvezelinfrastructuur om te garanderen dat fotonen op de juiste manier worden gerepliceerd en vermenigvuldigd via de verbindingen.

Zo zijn langs de lengte van de Pools-Duitse Pathfinder 10 signaalversterkingspunten en een tijd- en frequentieoverdrachtsregenerator geplaatst. Transmissieapparatuur geleverd door PCSS, ontwikkeld en geproduceerd in Polen in samenwerking met de AGH Universiteit voor Wetenschap en Technologie en PCSS, werd gebruikt om deze brug te bouwen.

De onderzoeker van UMK wijst er echter op dat de grootste uitdaging in het project bureaucratische en politieke kwesties waren: hoe de aanleg van een grensoverschrijdende glasvezelkabel formeel te organiseren. Het was echter een succes. De wetenschappers hopen dat andere landen de ingeslagen weg zullen volgen. Nu is het tijd voor andere partners.

Hoe werkt de optische atoomklok, waarvoor de Pathfinder-verbinding is gebouwd? Om een ​​atoom van een specifiek element te exciteren – om zijn elektron naar een hoger niveau te brengen – moet je het voorzien van een lichtkwantum met een zeer specifieke frequentie – dit is ongeveer het aantal lichtgolftrillingen per seconde. Elke kleur is een lichtslinger die net iets anders beweegt. Als we een kleur hebben gevonden die een bepaald atoom exciteert (en atomen veranderen niet van voorkeur), betekent dit dat we een tijdstandaard hebben. We kunnen fotonen met dergelijke eigenschappen naar een ander laboratorium sturen en bijvoorbeeld vergelijken hoe de exciterende kleuren op verschillende plaatsen en onder verschillende omstandigheden van elkaar verschillen.

Vroeger werden metingen van atoomklokken (bijvoorbeeld op satellieten) vergeleken met behulp van radiogolven. De nauwkeurigheid van optische atoomklokmetingen gaat echter volledig verloren in dit medium. Het is alsof je iemand in een papieren brief vraagt ​​hoe laat het is. Het heeft geen zin. Daarom is een medium nodig dat snel onveranderde fotonen met een specifieke frequentie (aantal trillingen per seconde) over een grote afstand kan overbrengen. En precies daarvoor is een glasvezelverbinding met de juiste parameters nodig.

Wetenschap in Polen, Ludwika Tomal (PAP)

lt/ bar/ amac/