Однако именно возможность сравнивать часы друг с другом делает их применимыми для высокоточных тестов в фундаментальной теории, от космологии до квантовой физики. Сравнение часов, то есть сравнение их оптических частот, оказалось сложной задачей, поскольку немногие существующие оптические часы по всему миру нелегко переносимы из-за их сложной природы. Группа исследователей из Физико-технического института Германии (PTB) в Брауншвейге и из Отдела лазерной спектроскопии Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) в Гархинге в настоящее время продемонстрировала передачу оптической частоты с высокой стабильностью через стандартную телекоммуникационную оптоволоконную сеть.

Оптическое волокно, соединяющее два института, было проложено под землей и имело общую длину 920 километров. Эта демонстрация дает возможность сравнивать оптические часы, расположенные далеко друг от друга, и передавать их стабильность в удаленные лаборатории, где сигналы могут использоваться для высокоточных экспериментов. На первых порах это пойдет на пользу фундаментальным исследованиям, например, при точном определении естественных констант, проверке достоверности общей теории относительности Эйнштейна или для предсказаний в квантовой электродинамике.

В атомных часах частота, которую атом излучает при переходе с одного энергетического уровня на другой, определяет единицу времени. Единица измерения "секунда" - это интервал, занимаемый 9 192 631 770 циклами микроволнового излучения, соответствующего переходу изотопа цезия-133. Создание и распространение секундных часов предусмотрено законом, а в Германии это обязанность PTB. Оптические атомные часы используют частоту, которая примерно в 100 000 раз выше по сравнению с микроволновыми часами, и, таким образом, разделяют время на гораздо более мелкие интервалы. Последнее поколение оптических атомных часов отличается только 18-м знаком после запятой, что соответствует одной секунде в периоде времени, равном возрасту Вселенной.

Исследователи задали себе вопрос о том, насколько хорошо можно передавать оптические частоты на большие расстояния. Хорошо зарекомендовавшие себя методы с помощью спутников достигают стабильности в 15 знаков после запятой. Хотя этого достаточно для микроволновых сигналов, этого недостаточно для использования всего потенциала оптических атомных часов. Поэтому в течение последних лет исследователи MPQ / PTB исследовали, как передавать оптическую частоту по оптическим волокнам. Они были поддержаны проектом Cluster of Excellence QUEST в Университете Лейбница в Ганновере, Европейским космическим агентством (ESA), Немецкой компанией Forschungsnetzwerk DFN, а также GasLine, немецким консорциумом газораспределительных компаний.

В описанном здесь проекте исследователи направляют свет от высокостабильного лазера с длиной волны около 1,5 микрометров (ближний инфракрасный диапазон) в оптическое волокно, соединяющее лаборатории MPQ и PTB. Оптическое волокно широко используется в телекоммуникациях и имеет минимальное ослабление света в ближнем инфракрасном диапазоне. Однако для передачи сигнала на расстояние почти в 1000 километров его необходимо периодически обновлять. Для этого были разработаны новые оптические усилители, которые были установлены по всему пути оптического волокна.

Еще одной проблемой, которую необходимо преодолеть, является искажение передаваемой частоты лазера из-за механических, акустических или тепловых помех, которые возникают из-за колебаний температуры, дорожного движения или строительных работ вблизи оптического волокна. Новые методы позволяют обнаруживать и компенсировать эти помехи таким образом, что все 920 километров оптического волокна между Гархингом и Брауншвейгом изменяют свою оптическую длину менее чем на один атомный диаметр за одну секунду. Следовательно, частота, передаваемая в удаленную лабораторию в 194,353 Гигагерц, отличается менее чем на одну десятитысячную от частоты подачи. Чтобы проверить передачу частоты, исследователи из отдела лазерной спектроскопии использовали сигнал от первичных часов с цезийным фонтаном PTB для спектроскопии водорода в MPQ. С помощью частотной гребенки этот сигнал сравнивается с оптической фазой передающего лазера. Они достигли значительно более высокой точности, которая была бы возможна при передаче частоты со спутника.

Оптические частоты теперь могут распространяться с качеством, которое до сих пор было доступно только в местных институтах метрологии. Использование оптоволоконной инфраструктуры, которую национальные исследовательские сети предоставляют уже сегодня, в будущем позволит подключать оптические атомные часы к общеевропейским. Точно так же, как обычные будильники или станционные часы получают "правильное время" от PTB через длинноволновый передатчик DCF77, распространение оптического эталона по оптическим волокнам для определения длин волн или частот оптического излучения найдет широкое применение в исследованиях и промышленности.