Valtion teknologian tutkimuskeskus VTT:n kehittämä optinen kello on osoittautunut koekäytössä toimivaksi, ja sen mittaustarkkuutta paranee lähivuosina edelleen. Tavoitteena on, että Suomi voisi osallistua entistä tarkemman optisen atomikellonsa avulla myös maailmanlaajuisen ajan ylläpitoon ja SI-sekunnin tarkempaan määrittelyyn.
Valtion teknologian tutkimuskeskus VTT Mikes on kehittänyt uutta laserjäädytettyyn ioniin perustuvaa valokelloa lähes kymmenen vuoden ajan. Kellon mittatarkkuus voisi varovaisenkin arvion mukaan yltää 18 desimaaliin vuonna 2030. Lähivuosien tutkimustyön tavoitteena on edelleen parantaa tarkkuutta ja automatisoida kellon toimintaa niin että se pysyy käynnissä viikkoja tai kuukausia ilman huoltoa.
’’Optimistinen näkymämme on, että kellomme tulee olemaan maailman kymmenen tarkimman kellon joukossa. Tavoitteemme on osallistua kellolla maailmanajan ylläpitoon yhdessä muiden optisten atomikellojen kanssa muutaman vuoden kuluessa”, kertoo VTT Mikesin erikoistutkija Anders Wallin.
Hänen mukaansa vastaavanlaisia optisia kelloja on maailmassa kehitteillä kymmeniä, mutta vain seitsemällä optisella kellolla (Ranska, Japani, USA, Etelä-Korea, Italia) on toistaiseksi osallistuttu hänen mukaansa virallisesti maailmanajan ylläpitoon.
VTT MIKES osallistu optinen atomikellollaan keväällä 2022 ensimmäiseen kansainväliseen taajuusvertailuun, jonka tulokset julkaistaan pian. Siinä kahta optista kelloa verrataan GNSS-satelliittijärjestelmän (esim. GPS, Galileo) kautta, mittaustuloksen epävarmuus riippuu usein vahvasti vertailumenetelmän epävarmuudesta. Tästä syystä muutaman vuoden aikajänteellä on suunnitteilla taajuusvertailuja, joissa siirrettävä optinen atomikello tulee vierailulle VTT Mikesiin. Näin kellojen vertailu on helpompaa, ja mittaustulokseen vaikuttavat ainoastaan optiset kellot.
Kansainvälisen metrologiajärjestön (BIPM) laatiman tiekartan mukaan SI-sekunnin määritelmä uudistuu nykyisestä Cesiumatomin mikroaaltosiirtymästä, ja perustuu jatkossa optiseen siirtymään – ehkä 2030 luvulla. VTT osallistuu uudella kellolla tulevaisuudessa myös SI-sekunnin uudelleen määrittämiseen.
Verkottuminen helpottaa vertailua
Tarkan ajan varmistaminen pitäisikin pystyä turvaamaan kaikissa olosuhteissa. Nykyisten kaupallisten atomikellojen tuottamaa aikaa mitataan ja mallinnetaan GPS-vertailun perusteella, mutta järjestelmässä voi esiintyä häiriöitä, jotka estävät signaalin saamisen. Sen sijaan optisen atomikellon tuottama aika ei edellytä GPS-vertailuun perustuvaa varmentamista, joten aika voidaan mitata valokellon avulla tarkasti myös mahdollisten häiriöiden aikana.
Näin saavutettava aikaomavaraisuus voi turvata yhteiskunnan toimintoja eri olosuhteissa sekä parantaa huoltovarmuutta. Samasta syystä yhä enemmän aikaa ja taajuutta jaetaan satelliittijärjestelmien sijaan valokuitujen avulla atomikelloista käyttäjille. Toistaiseksi VTT Mikesin optinen atomikello on ainoa Pohjoismaissa, mutta tulevaisuudessa valokuituyhteydet maantieteellisesti lähellä oleviin muihin optisiin atomikelloihin mahdollistavat yhä tarkemmat vertailut.
Taustaa: Tarkkaa aikaa hyödynnetään laajalti monilla aloilla perusfysiikasta maanmittaukseen ja satelliittinavigoinnista tähtitieteen radioastronomiaan. Tarve tarkalle ajalle on kasvavamassa verkkoon kytkeytyvissä digitaalisissa järjestelmissä. Sitä tarvitaan muun muassa 5G-tietoliikenneverkoissa, mutta myös sähköverkoissa ja verkon kaupankäynnissä, kuten nopeassa pörssikaupassa.
Kuva: Optisen atomikellon ydin on taajuusreferenssinä toimiva yksittäinen laserjäähdytetty Strontium-88-ioni, joka loistaa pienenä sinisenä pisteenä keskellä kahden kartion muodostamaa ioniloukkua. Kartiomaisiin elektrodeihin tuodaan satojen volttien radiotaajuusjännite, jonka avulla ioni pysyy loukussa jopa kuukausia. (Kuvan koko n. 20 mm pystysuunnassa, tyhjä tila elektrodien välissä n. 1 mm). Kuva: VTT/Anders Wallin
Lisää: Aiemmat Atomikellotekniikoita käsitelleet uutiset Uusiteknologia.fi:ssä (LINKKI).