Fisikawan telah menemukan cara untuk secara tepat menyinkronkan ketukan dua jam di udara, melalui rekor jarak 113 kilometer.

Prestasi ini merupakan langkah untuk mendefinisikan ulang detik dengan jam optik – pengatur waktu yang 100 kali lebih akurat daripada jam atom yang menjadi dasar UTC saat ini.

Ahli metrologi berharap untuk menggunakan jam optik untuk mendefinisikan kembali yang kedua pada tahun 2030. Namun rintangan yang menghalangi mereka adalah kebutuhan untuk menemukan cara yang dapat diandalkan untuk mengirimkan sinyal antara jam optik di laboratorium di berbagai benua, untuk membandingkan hasilnya. Dalam praktiknya, ini kemungkinan berarti mentransmisikan waktu berjam-jam melalui udara dan ruang angkasa ke satelit. Tapi ini menghadirkan tantangan karena atmosfer mengganggu sinyal.

Sebuah tim yang dipimpin oleh Jian Wei Pan, seorang fisikawan di Universitas Sains dan Teknologi China di Hefei, berhasil mengirimkan pulsa cahaya laser menit antar jam di stasiun yang berjarak 113 kilometer di provinsi Xinjiang, China.¹. Ini adalah tujuh kali rekor sebelumnya² 16 km.

Hasilnya dipublikasikan di sifat pemarah¹ Tanggal 5 Oktober adalah “fantastis,” kata David Guzard, fisikawan eksperimental di University of Western Australia di Perth. Mencapai tingkat sinkronisasi yang tinggi di jarak tersebut dari udara, tambahnya, merupakan “kemajuan yang signifikan dalam kemampuan untuk melakukan hal ini antara satelit dan Bumi”.

Menyinkronkan jam ultra-presisi di tempat yang sulit dijangkau juga dapat memiliki keuntungan di tempat penelitian lain, kata Tetsuya Ido, direktur Laboratorium Standar Ruang-waktu di Radio Research Institute di Tokyo. Misalnya, jam dapat digunakan untuk menguji teori relativitas umum, yang menyatakan bahwa waktu akan berjalan lebih lambat di tempat-tempat yang gravitasinya lebih kuat, seperti di ketinggian yang lebih rendah. Membandingkan ketukan dua jam optik dapat mengungkapkan perubahan halus dalam medan gravitasi yang disebabkan oleh pergerakan massa – misalnya dengan menggerakkan lempeng tektonik – katanya.

jam tangan generasi berikutnya

Sejak tahun 1967, detik telah ditentukan oleh jam atom menggunakan atom cesium 33: satu detik adalah waktu yang dibutuhkan untuk berputar melalui 9.192.631.770 pulsa radiasi gelombang mikro yang diserap dan dipancarkan atom ketika berpindah di antara keadaan tertentu. Saat ini, jam optik menggunakan “lonceng” frekuensi tinggi dari elemen seperti strontium dan iterbium, yang memungkinkan mereka membagi waktu menjadi bagian yang lebih halus.

Namun, waktu resmi tidak dapat dibuat hanya dengan menggunakan satu jam. Ahli metrologi harus menghitung rata-rata produksi ratusan jam di seluruh dunia. Untuk jam cesium, waktu dapat ditransmisikan melalui sinyal gelombang mikro, tetapi radiasi gelombang mikro terlalu rendah untuk mentransmisikan tanda frekuensi tinggi dari jam optik.

Mengirim sinyal melalui udara pada panjang gelombang optik tidak semudah mengirimkan gelombang mikro, karena partikel di udara dengan mudah menyerap cahaya, yang sangat mengurangi kekuatan sinyal. Selain itu, gangguan tersebut dapat mengirim sinar laser menjauh dari target. Untuk membandingkan jam optik, fisikawan sejauh ini sebagian besar mengandalkan transmisi sinyal melalui kabel serat optik, atau mentransmisikan jam besar dan kompleks itu sendiri, untuk membandingkannya secara berdampingan. Tetapi metode ini tidak praktis untuk membuat jenis jaringan global yang diperlukan untuk menentukan yang kedua.

Tim Pan berhasil dengan menggabungkan beberapa perkembangan kecil, kata Guzzard. Untuk membuat sinyal mereka, para peneliti menggunakan sisir frekuensi optik – perangkat yang menghasilkan pulsa sinar laser yang sangat tepat dan stabil – dan meningkatkan produksi mereka dengan amplifier bertenaga tinggi untuk mengurangi sinyal yang hilang saat pulsa bergerak di udara. Tim juga menyetel dan meningkatkan receiver sehingga dapat menangkap sinyal berdaya rendah dan secara otomatis melacak arah laser yang masuk.

Kelompok tersebut mengirim slot waktu menggunakan dua panjang gelombang cahaya tampak, dan satu lagi melalui tautan serat optik. Dengan membandingkan perbedaan kecil antara sinyal yang diambil di reseptor, para peneliti menunjukkan bahwa ketika diukur selama berjam-jam, mereka dapat menyebarkan kutu dengan cukup tinggi hingga hanya kehilangan atau memperoleh satu detik setiap 80 miliar tahun. Tingkat akurasinya sama dengan jam cahaya.

Belum ada

Meskipun metode transmisi ini adalah yang paling stabil bagi umat manusia hingga saat ini, metode ini akan membutuhkan penyempurnaan lebih lanjut agar sesuai dengan stabilitas jam optik terbaik, kata Guzzard.

Keterbatasan lainnya, kata Ido, adalah percobaan dilakukan di daerah terpencil dengan kondisi cuaca yang ideal. “Kelembaban sangat rendah dan turbulensi udara bisa jauh lebih tenang daripada di lingkungan perkotaan tradisional,” katanya. Studi masa depan perlu memverifikasi seberapa baik metode ini bekerja di situs lain.

Helen Margulies, fisikawan di National Physical Laboratory di Teddington, Inggris, mengatakan eksperimen tersebut tampaknya menjadi alternatif yang baik untuk mengirim sinyal semacam itu ke luar angkasa. Dikatakan jumlah turbulensi yang diperkirakan lebih dari 113 kilometer di Bumi sama dengan yang terjadi dalam perjalanan dari Bumi ke satelit.

Transmisi satelit akan menghadapi rintangan lain — jam akan berputar di orbit dengan kecepatan tinggi, mengubah frekuensi sinyal mereka, kata Gozard.

Ban mengatakan ini adalah salah satu tantangan yang akan dihadapi timnya selanjutnya. Tim sebelumnya mengembangkan teknologi untuk Satelit Komunikasi KuantumMereka sekarang digunakan untuk mengembangkan metode transmisi antara jam optik di orbit geostasioner dan di Bumi.

Dengan menggunakan jam optik di ruang angkasa, juga akan memungkinkan untuk “menyediakan sensor baru untuk fisika dasar, seperti mencari materi gelap dan mendeteksi gelombang gravitasi,” tambah Ban.