Per la prima volta, i ricercatori hanno dimostrato che un riferimento di frequenza stabile può essere trasmesso in modo affidabile per più di 300 chilometri su una rete di telecomunicazioni in fibra ottica standard e utilizzato per sincronizzare due radiotelescopi. Riferimenti di frequenza stabili, che servono per calibrare orologi e strumenti che effettuano misurazioni ultraprecise, di solito sono accessibili solo presso strutture che li generano utilizzando costosi orologi atomici. La nuova tecnologia potrebbe consentire agli scienziati ovunque di accedere allo standard di frequenza semplicemente attingendo alla rete di telecomunicazioni.

La capacità di inviare riferimenti di frequenza stabili sulla rete di telecomunicazioni potrebbe essere particolarmente utile per array di radiotelescopi come lo Square Kilometer Array (SKA), uno sforzo internazionale per costruire il più grande radiotelescopio del mondo utilizzando array in Australia e Sud Africa. Una volta completato, SKA rileverà deboli onde radio dallo spazio profondo con una sensibilità circa 50 volte maggiore di quella del telescopio Hubble. I singoli radiotelescopi saranno collegati per creare un'area di raccolta totale di circa 1 milione di metri quadrati.

Il collegamento di radiotelescopi in un array richiede che ogni telescopio abbia accesso a un orologio atomico per registrare l'ora precisa in cui viene rilevato un segnale da un oggetto nello spazio. Mettere a fuoco tutti i telescopi sullo stesso oggetto e quindi calcolare le leggere differenze nel tempo in cui il segnale raggiunge ciascun telescopio consente ai ricercatori di combinare tutte le osservazioni e individuare la posizione dell'oggetto e altre caratteristiche. Riferimenti trasmessi stabili potrebbero essere utilizzati per calibrare il tempo relativo a ciascun telescopio, eliminando la necessità di più orologi atomici in un array di radiotelescopi.

In ottica , i ricercatori di un consorzio di istituzioni australiane riferiscono sulla trasmissione riuscita di un riferimento di frequenza stabile tra due radiotelescopi tramite un collegamento in fibra e dimostrano che le prestazioni della tecnica sono superiori all'uso di un orologio atomico su ciascun telescopio. Il consorzio comprendeva l'Australia's Academic and Research Network (AARNet), l'Università nazionale australiana, l'Organizzazione per la ricerca scientifica e industriale del Commonwealth (CSIRO), l'Istituto nazionale di misurazione, Macquarie University e l'Università di Adelaide.

I risultati mostrano che la tecnica è in grado di compensare le fluttuazioni del segnale nella rete in fibra ottica introdotte da fattori ambientali come variazioni di temperatura o vibrazioni. La dimostrazione è stata persino eseguita su una rete che trasmetteva contemporaneamente traffico di telecomunicazioni in tempo reale.

Test con traffico di rete in tempo reale

"Eseguendo l'esperimento su fibre ottiche che trasportano anche traffico normale, abbiamo dimostrato che la trasmissione dello standard di frequenza stabile non influisce sui dati o sulle telefonate sugli altri canali, " disse Kenneth Baldwin, un membro del gruppo di ricerca dell'Australian National University. "Questo è necessario per ottenere la collaborazione delle società di telecomunicazioni proprietarie di queste reti in fibra".

È importante sottolineare che la nuova tecnica non richiede modifiche sostanziali al resto della rete in fibra ottica ed è di facile implementazione. Per mantenere stabile la frequenza durante la trasmissione, i ricercatori inviano il segnale attraverso la rete a una destinazione e poi lo riflettono. Il segnale di ritorno viene utilizzato per determinare se si sono verificati cambiamenti. Dopo ogni viaggio di andata e ritorno, qualsiasi spostamento di frequenza trasmesso viene sottratto passivamente per compensare esattamente i cambiamenti misurati.

Per ogni 100 chilometri di fibra, il viaggio di andata e ritorno dura circa 1 millisecondo. Anche se il processo di compensazione avviene molto rapidamente, il tempo sul lato ricevente può variare durante i viaggi di andata e ritorno. Risolvere questo problema, un oscillatore al quarzo nella posizione remota mantiene costante il tempo tra i viaggi di andata e ritorno.

"Anche la frequenza dell'oscillatore al quarzo alla fine andrà alla deriva, quindi il nostro processo unico combina la stabilizzazione locale con l'oscillatore al quarzo per brevi periodi di tempo, con la stabilizzazione più lunga, maggiore del tempo di andata e ritorno, fornita dalla tecnica di riferimento a frequenza stabile trasmessa, " ha detto Baldwin. "Questo metodo altamente stabile per trasmettere il riferimento di frequenza consente un orologio atomico, che costava circa duecentomila dollari, da sostituire con un sistema che costa solo poche decine di migliaia di dollari."

Dimostrazione della trasmissione a lunga distanza

Per dimostrare il loro metodo, i ricercatori hanno iniziato con un tipo di orologio atomico noto come maser a idrogeno situato presso il CSIRO Australia Telescope Compact Array (ATCA). Hanno impresso il segnale di riferimento a radiofrequenza dal maser su un raggio laser che ha poi viaggiato attraverso una fibra AARNet di 155 chilometri e diversi stadi di amplificazione fino a un secondo radiotelescopio, e ritorno. Una volta avviato il processo di compensazione, il riferimento è stato rilevato dal radiotelescopio all'altro capo del collegamento.

I ricercatori hanno utilizzato il riferimento di frequenza stabile per calibrare entrambi i telescopi, che sono stati utilizzati per esaminare lo stesso oggetto nello spazio. Hanno scoperto che invece del segnale di frequenza stabile che limita le prestazioni dei telescopi, le differenze atmosferiche tra le due località erano il fattore limitante. Per eliminare le interferenze atmosferiche e comprendere meglio come il nuovo metodo ha migliorato le prestazioni del telescopio, i ricercatori hanno quindi utilizzato solo un'antenna del telescopio presso l'ATCA dotata di due ricevitori separati per effettuare le misurazioni. Questo metodo di "antenna divisa" ha permesso di confrontare un ricevitore stabilizzato dal maser a idrogeno con l'altro ricevitore stabilizzato utilizzando il riferimento di frequenza stabile che è stato inviato su un viaggio di andata e ritorno di 310 chilometri attraverso la fibra.

"I nostri esperimenti hanno mostrato che la frequenza di riferimento trasmessa era molto stabile, significativamente più stabile dell'atmosfera terrestre, " ha detto Baldwin. "Il nostro approccio di replicare esattamente il segnale di frequenza stabile da un orologio atomico ha funzionato almeno quanto due orologi atomici, che possono presentare lievi differenze tra loro."

I ricercatori affermano che la loro dimostrazione mostra che il nuovo metodo è pronto per l'implementazione da parte dei radioastronomi che vogliono evitare l'uso di più orologi atomici su una schiera di telescopi. Il metodo può essere utilizzato anche su distanze maggiori utilizzando più amplificatori per aumentare il segnale. Ciò consentirebbe anche la trasmissione di riferimenti di frequenza stabili su una rete nazionale in fibra ottica, dove qualsiasi scienziato con accesso a una rete di telecomunicazioni potrebbe usarli.

"Quando furono inventati gli orologi atomici, nessuno pensava che avrebbero fornito standard di temporizzazione che sarebbero stati utilizzati per la navigazione GPS, Per esempio, " disse Baldwin. "Ci auguriamo che allo stesso modo, un facile accesso a standard di frequenza altrettanto stabili di quelli trovati in un laboratorio di misurazione nazionale sarà una tecnologia abilitante per molte applicazioni che richiedono tempi precisi e misurazioni di frequenza accurate".