Kolik je hodin? Ale přesně!

Jak ve vědě, tak i ve společnosti dochází k rostoucí poptávce po přesnosti času. Tedy abychom byli přesní: máme na mysli extrémní přesnost, která vyžaduje sofistikovaná zařízení pro měření času, jakými jsou vodíkové masery nebo cesiové fontány. Někteří z nás potřebují extrémní přesnost na takové úrovni, kde ani milisekundy nejsou dostatečné – chceme čas měřit v nanosekundách nebo i menších jednotkách.

Vysoká přesnost je nesmírně důležitá v mnoha oblastech, například ve sféře finančních transakcí využívajících roboty na obchodování s akciemi, v mobilní telefonii anebo na poli astronomických či geodetických pokusů. Výzkumné a vzdělávací sítě nyní usilují o to, aby přivedly časovou přesnost na novou úroveň, a to pomocí projektu CLONETS. Je zaměřen na synchronizaci atomových hodin přes optické sítě namísto řešení přes globální navigační satelitní komunikaci.

Propojování radioteleskopů

V tomto okamžiku je extrémní přesnosti zapotřebí pouze v několika vědeckých aplikacích. Je však jen otázkou času, než se k nim připojí další.

Jednou z vědeckých aplikací, které už s extrémní přesností pracují, je atomová fyzika. Další je VLBI neboli interferometrie s velmi dlouhou základnou, což je velmi výkonná radioastronomická technika, která spojuje radioteleskopy umístěné na opačných stranách světa. Teleskopy, které jsou nasměrovány na tentýž vzdálený objekt, kombinují data ve výkonných počítačích pomocí velmi přesných atomových hodin, což astronomům umožňuje vidět vesmír podrobněji než kdy předtím. A navíc díky hodinám mohou sledovat totéž s mnohem menším množstvím dat i výpočetním výkonem.

Evropská spolupráce

Projekt CLONETS (Clock Network Services) sdružuje evropské národní metrologické instituty, průmyslové partnery, vědecké laboratoře a národní výzkumné a vzdělávací sítě s cílem vyvinout novou generaci technologií pro přenos vysoce přesných časových signálů na velké vzdálenosti, a to až v kontinentálním měřítku. Výzkumu a vývoje se účastní čtyři národní sítě: RENATER (Francie), CESNET (Česká republika), PSNC (Polsko) a GARR (Itálie).

Přenos času je důležitý na mnoha úrovních, a to nejen pro určení přesného času, ale také pro jeho distribuci. V současné době určuje čas jako globální standard francouzský úřad BIPM (Bureau International des Poids et Mesures), a to porovnáváním signálů z více než 300 atomových hodin na různých místech po celém světě. Netřeba dodávat, že všechny tyto hodiny jsou extrémně přesné. Některé z nich, tzv. cesiové fontány, jsou ještě přesnější, a proto se používají ke kontrole ostatních hodin.

Ze satelitu na optické vlákno

V současné době je většina signálů z 300 atomových hodin porovnávána mezi sebou pomocí družic. Jenže metoda využití GNSS (Globálního družicového navigačního systému) přináší určité problémy. Přesný čas atomových hodin lze například stanovit jen se zpožděním nejméně jednoho týdne. Potřebujete několik dnů na porovnání a zpracování dat, než si budete jisti přesným časem, který nastal o týden dříve

Konsorcium CLONETS proto zkoumá, jak satelitní spojení nahradit optickými vlákny, a navrhnout tak nejrychlejší a nejpřesnější infrastrukturu pro porovnávání signálů atomových hodin.

Polské zkušenosti

Podle Krzystofa Turzy z polské výzkumné a vzdělávací sítě PSNC už po celé Evropě existují spojení mezi atomovými hodinami pomocí dlouhých optických vláken. Optické spoje existují například ve Francii, Německu, Polsku, Itálii, ale i v České republice. Stále však neposkytují jednotnou síť pro porovnávání času a frekvence. Jedním z důležitých důvodů je, že extrémní přesnost je poměrně nákladná.

Krzystof Turza a jeho kolegové z PSNC ale dokázali místním vědcům pomoci: „V Polsku máme skupinu fyziků, kteří potřebují ke své práci extrémní časovou přesnost. Zpočátku chtěli mít vlastní atomové hodiny, ale ty jsou nákladné a vyžadují hodně údržby. Nyní jim poskytujeme tuto službu přes naši síť. S požadavkem na tutéž službu se k nám navíc připojuje mnoho jejich kolegů. V listopadu 2017 jsme v poznaňském superpočítačovém a síťovém centru uvedli do provozu cesiovou fontánu. Zařízení bylo postaveno v Národní fyzikální laboratoři (NPL) v Teddingtonu poblíž Londýna pod vedením vynikajícího specialisty v oblasti atomových kmitočtů dr. Krzysztofa Szymaniece. Vlastníkem fontány je Astrogeodynamická observatoř PAS a řídí ji pracovní skupina pod vedením Jerzyho Nawrockého. Cesiová fontána představuje druhé hodiny svého druhu v Polsku a patří mezi nejpřesnější atomové hodiny na světě.“

Služby vysoce výkonných hodin

Cílem projektu CLONETS je nabízet služby vysoce přesných „hodin“ různým evropským výzkumným infrastrukturám. Služba poskytování extrémně přesného času je přitom zaměřena na to, aby sloužila jako základna pro realizaci podpory mnoha časově méně přesnějších služeb a zároveň obsluhovala nově vznikající aplikace v oblasti bankovnictví, cloud computingu, mobilní telekomunikace, Internetu věcí i dalších průmyslových odvětvích v rámci čtvrté průmyslové revoluce označované jako Průmysl 4.0.

Cesiová fontána

A nakonec ještě vysvětlení pro ty z vás, kteří by chtěli vědět, jak funguje cesiová fontána. Tak tedy: V cesiové fontáně se shluk atomů cesia ochlazuje a vystavuje laserovému záření ve vakuové komoře. Tento proces připomíná proud vody ve fontáně. Během pohybu směrem nahoru i gravitačního pádu je shluk atomů vystaven působení mikrovlnného záření. Má-li toto záření příslušnou frekvenci, stimuluje atomy k vibracím. Jestliže jsou mikrovlny naladěny na rezonanční frekvenci, která vybuzuje většinu atomů cesia, získáte realizaci sekundy podle specifikace SI (od roku 1967 se sekunda definuje jako doba, která se rovná 9 192 631 770 periodám záření atomu cesia-133). Přesnost cesiové fontány je neuvěřitelná – rozchází se o jednu sekundu za 20 milionů let!

příspěvek převzat z blogu In the Field