3'30" 읽기
수백 킬로미터에 걸쳐 정확한 무선 시간 동기화

가장 정확한 시간 신호 전송
레이저 주파수 빗은 수백 킬로미터에 걸쳐 정확한 무선 시간 동기화를 허용한다.

새로운 기술을 통해 전례 없는 정밀도와 범위(무선 및 수백 킬로미터 이상)로 시간 신호를 전송하고 동기화할 수 있다. 광학 주파수 빗을 사용하여 생성된 레이저 펄스는 최대 320아토초의 정확도로 동기화될 수 있으며 최소한의 에너지와 들어오는 광자만 필요로 한다. 이 방법은 대륙에 걸쳐 광학 원자시계를 결합하고 우주 및 물리적 매개변수를 보다 정확하게 측정할 수 있다. 

▲ 새로운 기술은 이전보다 10,000배 더 정확하게 무선 시간 신호를 전송하고 동기화할 수 있다. 첫 번째 테스트는 두 개의 하와이 섬 사이에서 300km 이상 진행되었다. © B. Hayes/NIST

오늘날 초저온 이테르븀 또는 스트론튬 원자를 기반으로 하는 광학 원자시계는 1조분의 1초까지 정확하다. 그들은 빅뱅 이후로 1초도 차이가 나지 않을 것이다. 이 정밀도는 예를 들어 GPS 신호를 평가하는 데뿐 아니라, 양자 및 우주 규모의 많은 측정에도 중요하다.

그러나 지금까지 한 가지 부족한 점이 있었다. 바로 이러한 시간 신호의 전송이다. 예를 들어 정지 궤도에 있는 GPS 위성으로의 전송은 현재 대부분 마이크로파 무선 신호를 사용하여 수행되며, 시계 정확도는 원자시계보다 몇 배 더 낮다. 방해 효과와 난기류는 정확한 동기화를 어렵게 만들고 종종 신호를 완전히 삼키기도 한다. 따라서 레이저 신호와 위성을 통한 원자 시계 또는 시간에 민감한 측정 장치의 결합은 아직 많은 측정에 대해 충분히 정확하고 신뢰할 수 없다.

마음으로 광 주파수 빗

미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)의 Emily Caldwell과 그녀의 동료들은 이제 이 문제에 대한 해결책을 찾았을 것이다. 전송 시스템의 핵심은 광학 주파수 빗이다. 이 레이저 시스템은 스펙트럼에서 빗의 톱니와 유사한 매우 좁고 선명하게 정의된 일련의 레이저 주파수를 생성한다. 이제 이 레이저 빗이 알 수 없는 주파수의 레이저 빔과 상호 작용하면 중첩 효과를 통해 지금까지 알려진 정확한 파장이 드러난다.

▲ 광학 주파수 빗은 레이저 주파수뿐만 아니라 레이저가 전송하는 시간 신호도 측정할 수 있다.© J.Wang/NIST

하이라이트:
레이저 주파수 빗은 고정밀 클록 생성기이기도 하다. 개별 주파수 라인 사이의 시간 간격이 매우 안정적이고 정밀하게 조정 가능하기 때문이다. Caldwell과 그녀의 팀은 이제 주파수 빗의 이 기능을 사용하여 레이저 지원으로 300km 거리 이상 공기에 걸쳐 고정밀 시간 신호를 전송했다. 한 번 하와이의 Mauna Loa에서 이웃 섬인 마우이(Maui)에 있는 Haleakala 경사면의 반사경까지였다. 그리고 다시 되돌아 오는 것.

Caldwell과 그녀의 팀은 이제 주파수 빗의 이 기능을 사용하여 레이저 지원으로 300km 이상의 공기에 걸쳐 고정밀 시간 신호를 전송했습니다. 한 번은 하와이의 Mauna Loa에서 이웃 섬인 Haleakala 경사면의 반사경까지였습니다. 마우이 그리고 다시.

송신기와 센서를 동시에

Mauna Loa에 있는 이 레이저 전송선의 시작과 끝에는 두 쌍의 광 주파수 빗이 있었다. 첫 번째 레이저 빗은 시간 기준(예: 원자시계)에 연결되어 300km 측정 경로를 통해 신호를 보낸다. 두 번째 레이저 빗은 수신기 및 타이밍 도구 역할을 한다. 처음에는 주파수가 전송된 신호와 의도적으로 비동기화된다.
그러나 두 빗의 레이저 펄스가 때때로 서로 맞고 겹치기 때문에 이러한 간섭 효과를 사용해 전송된 시간 신호의 정확한 "틱"을 결정할 수 있다. Caldwell과 그녀의 팀에 의해 확장된 주파수 빗은 정확히 동시에 "틱"하는 방식으로 자체 조정된다. 이 조정을 통해 특정 정밀도로 시간 신호를 포착하는 동시에 난기류가 신호를 왜곡하고 방해하는지와 방법에 대한 정보를 제공할 수 있다.

NIST의 수석 저자인 Laura Sinclair는 "우리가 이러한 측정을 가능하게 한 것은 시간 프로그래밍이 가능한 주파수 빗의 확장된 기능이었다"며 "그들 없이는 이러한 결과를 얻을 수 없었을 것이다"고 설명했다.

높은 손실에도 정확한 전송

하와이에서의 실제 테스트에서 팀은 이 기술을 사용하여 최대 320아토초의 정밀도로 시간 신호를 전송하고 동기화하는 데 성공했다. 이는 기존 기술보다 1만배 더 나은 것이다. 레이저 신호의 전송은 또한 매우 에너지 효율적이다. Caldwell과 그녀의 팀이 알아낸 것처럼 약 40마이크로와트의 레이저 강도는 300km 거리에 충분했다. 이것은 표준 레이저 포인터보다 약 30배 더 약하다.

또 다른 이점:
이 새로운 형태의 시간 신호 전송 및 동기화는 이전 시도보다 훨씬 더 많은 신호 손실에 대처할 수 있다. 전송된 10억 광자 중 1개 미만의 광자가 300km 후에 목표에 도달하더라도 수신기의 시간 프로그래밍 가능 주파수 콤은 여전히 ​​시간 신호를 읽을 수 있다. "우리는 시스템을 한계까지 밀어붙이고 싶었다"고 Sinclair는 말했다. "강력한 기능은 미래 네트워크를 위한 시간 기반을 만들기 위한 좋은 전제 조건이다.”

▲ 테스트는 Mauna Loa Observatory(위, 오른쪽 아래)에서 진행되었다. 반사경(왼쪽 아래)은 인근 마우이 섬의 할레아칼라에 있었다. © L. Sinclair/NIST

GPS, 기본 물리학 및 글로벌 측정에 사용할 수 있다.

연구원들에 따르면, 이 정확하고 강력한 시간 신호 전송은 많은 응용 분야에 유용할 수 있다. 이를 통해 GPS 시스템과 같은 정지 위성의 신호를 보다 정확하게 동기화하여 해상도를 높일 수 있다. 센서 또는 망원경이 간섭계를 사용하여 장거리에 걸쳐 상호 연결될 때 더 정확한 시간 신호는 동기화를 증가시켜 해상도 및 측정 정확도를 높일 수 있다.

"이것은 그러한 일관된 측정에서 전례 없는 발전을 가능하게 할 것이다"고 Sinclair는 말했다. 예를 들어 Event Horizon Telescope는 이를 사용해 훨씬 더 정확한 블랙홀 사진을 제공할 수 있다. 그러나 광학 원자시계는 위성을 통해 대륙을 가로질러 서로 연결될 수도 있다. 콜드웰과 그녀의 동료들이 설명하듯이 이것은 차례로 기본 물리적 매개변수의 전체 범위를 더 정확하게 측정할 수 있게 할 것이다.
(nature, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-06032-5)
출처: National Institute of Standards and Technology (NIST)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]