Оптические часы отличаются от «обычных» атомных тем, что работают на более высоких частотах. Грубо говоря, они делят единицу времени — секунду — на менее продолжительные интервалы, давая большее временнóе разрешение. Предполагается, что это заставит специалистов переопределить секунду, которую сейчас принято считать равной 9 192 631 770 периодам микроволнового, относительно низкочастотного излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Для того, чтобы охарактеризовать ход оптических атомных часов, их показания необходимо сравнивать с сигналами, поступающими от аналогичных приборов. На этом этапе и возникает затруднение: громоздкие установки с лазерами и вакуумными камерами не поддаются транспортировке, а традиционные способы связи на расстоянии с использованием спутников не обеспечивают нужной точности передачи частоты.
Проблема решается с помощью оптоволокна. Ещё в 2009 году учёные реализовали передачу оптического сигнала по оптоволокну длиной в 146 километров, получив относительную нестабильность частоты, равную всего 10–19 при времени измерения, превышающем 30 000 секунд.
В новых опытах была использована пара гораздо более длинных (по 920 километров) отрезков оптоволокна, проложенных под землёй и соединивших лаборатории Федерального физико-технического института и Института квантовой оптики им. Макса Планка. Чтобы обеспечить передачу частоты на такое расстояние, ученым пришлось установить сразу девять волоконно-оптических усилителей с ионами эрбия, которые располагались в 74–119 км друг от друга и компенсировали естественные потери в оптоволокне. Кроме того, авторы постарались минимизировать влияние локальных изменений температуры волокна и вибраций, способных сдвигать частоту.
Источником сигнала в эксперименте служил лазер, работавший на частоте в 194 ТГц (длине волны в ~1,542 мкм). Передавая эту частоту по антипараллельным отрезкам волокна, физики установили, что достаточно длительные измерения позволяют снизить относительную нестабильность до 4•10–19.
При тестировании созданной линии связи экспериментаторы успешно определили частоту двухфотонного перехода 1s—2s в атоме водорода. Сам атом находился в Институте квантовой оптики, а роль эталона сыграл «цезиевый фонтан» — стандарт частоты, размещённый в Федеральном физико-техническом институте. В идеале следовало бы использовать проложенное оптоволокно для сверки показаний двух оптических часов, но Институт квантовой оптики нужной установкой не располагает.
Надёжный способ передачи и сравнения сигналов от атомных часов также может пригодиться в фундаментальных исследованиях, при определении значений физических констант и тестировании общей теории относительности, отмечает Physicsworld.Com.