안으로 들어가다 예준‘에스 랩 에 콜로라도 대학교 볼더 전자 정글에 들어가는 것과 비슷합니다. 천장을 가로질러 바닥까지 늘어진 전선이 있습니다. 방 중앙에는 네 개의 무거운 강철 테이블이 있고 그 위에 금속 패널이 천장까지 뻗어 있습니다. 패널 중 하나를 옆으로 밀면 진공 챔버, 거울, 자기 코일 및 정밀하게 조율된 패턴으로 튀는 레이저 광으로 구성된 촘촘한 메시가 표시됩니다.
이것은 세계에서 가장 정확하고 정확한 시계 중 하나입니다. 그리고 그것은 너무 정확하다 1초씩 어긋나려면 400억년, 즉 우주 나이의 3배를 기다려야 한다는 것입니다.
예의 원자시계에서 흥미로운 점은 무엇입니까? 관절 콜로라도 볼더 대학교와 볼더 대학교 간의 벤처 국립표준기술연구소 (NIST)는 대부분의 경우처럼 전자레인지가 아닌 광학적이라는 것입니다. 원자시계. 시계의 똑딱거리는 심장은 스트론튬 원자이며, 진동수는 429테라헤르츠, 즉 초당 429조 틱입니다. 이는 가시 스펙트럼의 빨간색 영역의 아래쪽 부분에 있는 빛과 동일한 주파수이며, 상대적으로 높은 주파수는 시계의 놀라운 정밀도의 기둥입니다. 일반적으로 사용 가능한 원자시계 기가헤르츠 범위의 주파수, 즉 초당 약 100억 틱의 주파수로 이깁니다. 전자레인지에서 광학 장치로 전환하면 Ye의 시계가 수만 배 더 정확해질 수 있습니다.
스타트업 Vector Atomic은 작은 유리 셀에 갇힌 요오드 분자 증기를 광학 원자 시계의 심장으로 사용합니다. 윌 룬덴
Ye의 전 대학원생 중 한 명인 Martin Boyd는 다음과 같은 회사를 공동 설립했습니다. 벡터 원자는 Ye의 광학 시계 기술에 대한 아이디어를 바탕으로 이를 사용하여 큰 서류 가방 크기의 상자에 들어갈 만큼 작은 시계를 만들었습니다. Vector Atomic의 시계 정밀도는 Ye의 시계와는 거리가 멀습니다. 32 백만 연령“라고 Vector Atomic의 CEO인 Jamil Abo-Shaeer는 말합니다. 하지만 이 역시 광 주파수에서 작동하며 상업용 대안과 일치하거나 능가합니다.
지난 해 세 개의 개별 회사가 소형 광학 원자 시계의 자체 버전을 개발했습니다. Vector Atomic 외에도 콜로라도주 볼더에 있는 Infleqtion도 있습니다. QuantX 연구소호주 애들레이드에 본사를 두고 있습니다. 실험실에서 해방된 이 새로운 시계는 군사용 애플리케이션은 물론 데이터 센터, 금융 기관 및 전력망용 GPS에 대한 더 큰 복원력과 백업을 약속합니다. 그리고 자율주행차가 차선을 유지하고, 드론이 발코니에 물건을 배달할 수 있을 만큼 정확하고 센티미터 위치 결정 해상도를 갖춘 보다 정확한 GPS의 미래를 가능하게 할 수도 있습니다.
그리고 무엇보다도 이것은 전자공학과 광학 분야의 최전선에서의 발명에 관한 이야기입니다. 다루기 힘든 연구실 규모의 거대 기업에서 신뢰할 수 있고 휴대 가능한 제품으로 기술을 구현하는 데 사고방식이 크게 바뀌었습니다. 이들 회사의 기술 직원은 대부분 박사 학위입니다. 원자물리학자들은 어떤 대가를 치르더라도 정밀도에 초점을 맞추는 것에서 소형화, 견고성 및 전력 소비 최소화에 집착하는 것으로 전환해야 했습니다. 그들은 과학의 경계를 넓힌 아이디어를 기술의 가능성을 확장하는 발명으로 전환시켰습니다.
원자시계는 어떻게 작동하나요?
다른 과학자와 마찬가지로 Ye도 우주의 가장 깊은 신비를 이해하는 데 동기를 부여받습니다. 그는 자신의 연구실의 초정밀 시계가 언젠가는 우주의 비밀을 알아내는 데 도움이 되기를 바라고 있습니다. 양자중력또는 성격을 이해하는 데 도움이 됩니다. 암흑물질. 그는 또한 그의 장치의 엔지니어링 복잡성에 대해서도 잘 알고 있습니다.
“물리학에서 가르치는 모든 것이 고정밀 수준에서 사물을 측정하려고 할 때 중요하다는 것이 밝혀지기 때문에 저는 이 일을 좋아합니다.”라고 그는 말합니다. 예를 들어, 누군가가 실험실에 들어가면 몸에서 나오는 아주 작은 열 복사가 실험실의 원자를 아주 약간 분극화하여 똑딱거리는 주파수를 변경합니다. 시계의 정밀도를 유지하려면 해당 효과를 제어해야 합니다.
서류가방 크기의 광학 원자시계 내부. 레이저(1)가 원자 증기(2)가 들어 있는 유리 셀에 빛을 비춥니다. 원자는 매우 정확한 주파수에서만 빛을 흡수합니다. 검출기(3)는 흡수량을 측정하고 이를 사용하여 정확한 주파수에서 레이저를 안정화합니다. 주파수 빗(4)은 테라헤르츠의 광학 진동에서 마이크로파 범위로 기어 내려갑니다. 클록은 초정밀 메가헤르츠 신호(5)를 출력합니다. 크리스 필팟
원자시계에서 원자는 매우 까다롭게 행동합니다. 미역취 속의 일종노출된 전자기 방사선의 주파수가 너무 뜨겁거나, 너무 차거나, 아니면 딱 맞는지 식별합니다. 시계는 마이크로파 발진기(현재 상업용 원자 시계와 같은) 또는 레이저(Ye의 시계와 같은) 등 전자기 방사선 소스로 시작됩니다. 소스가 아무리 정확하게 설계되더라도 항상 약간의 변화, 대역폭, 지터가 있어 주파수가 불규칙하고 신뢰할 수 없게 됩니다.
이러한 방사선원과 달리 특정 종의 특정 동위원소(루비듐, 세슘, 스트론튬 등)의 모든 원자는 서로 정확히 동일합니다. 그리고 모든 원자는 그것이 차지할 수 있는 수많은 개별 에너지 준위를 가지고 있습니다. 각 에너지 준위 쌍에는 주파수에 해당하는 고유한 에너지 갭이 있습니다. 원자가 그러한 간격 중 하나의 정확한 주파수의 방사선에 의해 조명되면 원자는 방사선을 흡수하고 전자는 더 높은 에너지 준위로 도약합니다. 얼마 지나지 않아 전자가 더 낮은 에너지 준위로 내려오면서 원자는 방사선을 다시 방출하게 됩니다.
시계 작동 중에는 최대한 안정적인(그러나 필연적으로 여전히 다소 광대역 불안이 있는) 광원이 원자를 비춥니다. 전자는 소스의 주파수가 딱 맞는 경우에만 여기되어 에너지 레벨을 뛰어 넘습니다. 검출기는 원자가 흡수하는 방사선의 양(또는 아키텍처에 따라 나중에 다시 방출하는 양)을 관찰하고 들어오는 주파수가 너무 높거나 낮은지 보고합니다. 그런 다음 능동 피드백이 소스의 주파수를 원자가 선택한 주파수로 안정화합니다. 이 정확한 주파수는 전자기 방사선의 최고점과 최저점, 즉 원자시계의 틱을 계산할 수 있는 카운터에 공급됩니다. 안정화된 카운트는 초정밀 주파수 베이스, 즉 클럭입니다.
시계의 정밀도에 영향을 미칠 수 있는 효과는 다양합니다. 원자가 움직이면 원자의 기준점에서 나오는 방사선의 주파수는 도플러 효과에 의해 변경되어 서로 다른 원자가 속도에 따라 서로 다른 주파수를 선택하게 됩니다. 외부 전기장이나 자기장, 심지어 인간으로부터 방출되는 열도 원자가 선호하는 주파수를 조정할 수 있습니다. 진동으로 인해 소스 레이저의 주파수가 너무 멀리 떨어져 원자가 완전히 반응하지 않아 피드백 루프가 깨질 수 있습니다.
당신은 가장 까다로운 원자 중 하나, 매우 높은 정밀도를 제공하는 스트론튬을 선택했습니다. 열로 인한 소음 발생 효과를 최소화하기 위해 Ye 팀은 더 많은 레이저를 사용하여 원자를 절대 영도에 약간 못 미치는 수준으로 냉각합니다. 원자의 신호를 더 잘 감지하기 위해 그들은 주기적인 격자에 원자를 가두어 놓았습니다. 이 격자는 달걀 상자 모양이고 또 다른 레이저에 의해 만들어진 함정입니다. 이 구성은 보다 정확한 측정을 위해 서로 비교할 수 있는 여러 개의 개별 원자 그룹을 생성합니다. 전체적으로 Ye의 연구실에서는 원자의 특정 요구에 따라 정의되는 냉각, 트래핑, 시계 상태 준비 및 감지를 위해 서로 다른 색상의 7개 레이저를 사용합니다.
레이저는 시계의 놀라운 정밀도를 가능하게 하지만 가격이 비싸고 공간을 많이 차지합니다. 광원 자체 외에도 각 레이저에는 올바른 주파수와 정렬로 동축을 이루기 위해 다양한 광학 제어 요소가 필요하며 쉽게 정렬이 잘못되거나 대상 색상에서 약간 멀어집니다.
“레이저는 약한 연결 고리입니다”라고 Ye는 말합니다. “마이크로파 발진기를 설계할 때 그 주위에 도파관을 배치하면 영원히 작동합니다. 레이저는 여전히 훨씬 더 부드럽거나 깨지기 쉽습니다.” 누군가가 Ye의 거대한 테이블 중 하나를 가볍게 두드리면 레이저 정렬이 깨질 수 있습니다. 한편, 도파관은 밀폐되고 볼트로 고정되어 있어 훨씬 덜 민감합니다.
이 연구실은 대학원생과 박사후 연구원으로 구성된 팀이 운영하며, 레이저의 불안정성으로 인해 세계에서 가장 정확한 측정을 수행하는 데 방해가 되지 않도록 최선을 다하고 있습니다. 그들은 세속적인 실용성을 고려하지 않고 최고의 정확성을 추구하는 사치를 누리고 있습니다.
상용제품으로의 사고방식 전환
Ye와 그의 팀은 타이밍의 완벽함을 추구하는 반면, 광학 원자 시계를 시장에 출시한 최초의 회사인 Vector Atomic은 똑같이 이해하기 어려운 목표, 즉 상업적 영향을 추구합니다.
Vector Atomic의 Abo-Shaeer는 “우리의 경쟁자는 Jun Ye가 아닙니다.”라고 말합니다. “우리의 경쟁 상대는 시중에 판매되는 시계입니다. 바로 상업용 시계입니다. 우리는 이러한 보다 현대적인 시간 계측 기술을 활용하려고 노력하고 있습니다.”
상업적으로 이용이 가능하도록 이 시계는 근처에 있는 사람의 체온에 의해 떨어져 나가거나 누군가 장치에 부딪혀도 오작동하지 않습니다. 따라서 Vector Atomic은 장치의 전체 구성을 처음부터 다시 생각해야 했고 시스템의 가장 취약한 부분이 회사의 초점이 되었습니다. Abo-Shaeer는 “원자 주위에 시스템을 설계하는 대신 레이저 주위에 시스템을 설계했습니다.”라고 말했습니다.
첫째, 디자인에 사용되는 레이저 수를 대폭 줄였습니다. 이는 레이저 냉각이 없음을 의미합니다. 시계는 유리 셀에 갇혀 있는 기체 상태의 원자나 분자와 함께 작동해야 합니다. 그리고 원자를 별도의 덩어리로 그룹화하고 여러 판독값을 얻는 주기적인 격자가 없습니다. 이 두 가지 선택 모두 정밀도가 향상되었지만 견고하고 컴팩트한 장치를 만드는 데 필요했습니다.
그런 다음 레이저를 선택하기 위해 Abo-Shaeer와 그의 동료들은 어떤 레이저가 가장 견고하고 저렴하며 잘 설계된 레이저인지 자문했습니다. 대답은 분명했습니다. 성숙한 통신 및 기계 산업에 사용되는 적외선 레이저였습니다. 그런 다음 그들은 어떤 원자나 분자에 그러한 레이저에 의해 자극될 수 있는 전이가 있는지 스스로 질문했습니다. 이에 대한 대답은 요오드 분자였습니다. 이 분자의 전자는 532나노미터에서 전이됩니다. 이는 편리하게도 일반 산업용 레이저 파장의 정확히 절반에 해당합니다. 공통 파장을 사용하여 파장을 절반으로 줄일 수 있습니다. 광학 장치.
“우리는 이 모든 박사 학위를 가지고 있습니다. 그리고 이 모든 것을 상자에 담으려면 우리가 글을 쓰겠다는 궁극적인 목표를 가진 대학원생이었을 때와 마찬가지로 훨씬 더 많은 창의성이 필요합니다. 자연 그리고 과학 논문”이라고 Abo-Shaeer는 말합니다.
Vector Atomic은 시스템에 단 하나의 레이저만으로는 벗어날 수 없었습니다. 수백 테라헤르츠에서 진동하는 매우 정밀한 레이저를 출력하는 상자가 있다는 것은 듣기에는 멋지지만 전혀 쓸모가 없습니다. 이러한 진드기를 계산할 수 있는 전자 장치는 없습니다. 원래 신호의 정밀도를 유지하면서 광학 신호를 친숙한 마이크로파 신호로 변환하기 위해 팀은 다음을 통합해야 했습니다. 주파수 빗.
주파수 빗은 시간에 따라 규칙적인 간격으로 빛을 방출하는 레이저입니다. 빗살처럼 규칙적인 간격으로 방출되는 빛의 주파수 또는 색상을 보면 빗살 모양의 특성이 분명해집니다. 주제는 2005년 노벨 물리학상이러한 장치는 광학 영역과 마이크로파 영역을 연결하여 레이저 빛을 “주파수를 낮추기 위해 기어 다운” 정밀도를 유지하면서 범위를 지정합니다.
지난 10년 동안 주파수 빗은 자체 개발을 거쳤습니다. 변환실험실 기반 장치에서 서류 가방 크기까지 상업적으로 사용 가능 제품 (그리고 심지어 1/4 크기 프로토타입). 다른 무엇보다도 이러한 개발은 세 개의 광학 원자시계와 오늘날 초기 시장을 가능하게 하는 혁신의 물결을 촉발시켰습니다.
광학 시간에 대한 높은 시간
발명은 종종 마치 새로운 혁신을 위한 조건을 조성하는 공기 중에 무언가가 있는 것처럼 급격하게 발생합니다. Vector Atomic의 Evergreen-30 시계와 함께 Infleqtion과 QuantX Labs는 모두 짧은 시간 내에 자체 시계를 개발했습니다. Infleqtion은 현재까지 7번의 매출을 올렸습니다. 증권 시세 표시기 (예, 양자 기술 회사는 도덕적으로 의무가 있습니다. 큐 모든 이름으로). QuantX 연구소그 사이에 처음 두 개를 판매했습니다. 속도 올해 말 이전에 고객에게 배송될 예정인 시계는 다음과 같습니다. 안드레 루이텐QuantX Labs의 공동 창립자이자 전무 이사입니다. (네 번째 회사, 그들은 먹을 것이다는 콜로라도주 골든에 본사를 두고 있으며 판매 광학 원자시계단 하나의 상자에 통합되어 있지는 않습니다.)
Vector Atomic, QuantX Labs 및 Infleqtion은 모두 시계 프로토타입을 우주로 보낼 계획을 가지고 있습니다. QuantX Labs는 우주 시계의 20리터 엔지니어링 모델을 설계했습니다. [left]. QuantX 연구소
독립적으로 세 회사 모두 놀랍도록 유사한 디자인을 선택했습니다. 그들은 모두 레이저가 제한 요소라는 것을 깨닫고 진공 챔버와 레이저 냉각 및 트래핑 대신 원자 증기로 채워진 유리 셀을 사용하기로 결정했습니다. 그들은 모두 통신 레이저의 주파수를 두 배로 늘리는 것을 선택했습니다. Vector Atomic과 달리 Infleqtion과 QuantX Labs는 루비듐 원자를 선택했습니다. 약 780 nm의 루비듐 에너지 격차는 1,560 nm의 주파수를 두 배로 늘린 적외선 레이저로 해결할 수 있습니다. QuantX Labs는 주파수가 서로 매우 가까운 두 개의 레이저를 사용하여 더 적은 전력을 필요로 하는 영리한 투톤 방식을 통해 조사하는 것이 특징입니다. 그들은 모두 시계 시스템을 대략 서류 가방 크기인 30리터 상자에 맞추었습니다.
세 회사 모두 시계가 실제 환경에서 견고하게 작동하도록 하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 연구실 기반의 광학시계에 비해 정밀도가 낮기 때문에 근처 사람으로부터 나오는 방사선은 더 이상 문제가 되지 않습니다. 그러나 레이저 냉각을 없애면서 이들 회사는 온도와 움직임이 원자의 내부 틱 주파수에 영향을 미칠 수 있는 가능성을 높였습니다.
“원자 세포가 환경과 결합되지 않도록 만드는 방법에 대해 현명해야 합니다.”라고 Luiten은 말합니다.
광학 시계는 항해를 시작하고 비행합니다
~ 안에 2022년 중반디자인의 견고성을 테스트하기 위해, 벡터 원자 그리고 QuantX 연구소‘는 벤처 기업인 애들레이드 대학교와 호주의 파트너입니다. 국방과학기술그룹시계를 바다로 가져갔습니다. 그들은 시계를 하와이 진주만으로 가져와 대체 위치, 항법 및 타이밍 챌린지에 참가했습니다. 림 오브 더 퍼시픽호주, 캐나다, 뉴질랜드, 영국 및 미국 등 Five Eyes 국가 간의 국방 협력입니다. “그들은 뉴질랜드 선원들과 터치 럭비를 하고 있었습니다. 그래서 그것은 원자 물리학자들에게 정말 멋진 경험이었습니다.”라고 Abo-Shaeer는 말했습니다.
해군 함정에 탑승한 지 20일 후 Vector Atomic의 광학 시계 실적을 유지했다 이는 실험실 조건에서 측정한 결과와 매우 유사했습니다. Vector Atomic의 작업을 공동 자금으로 지원한 미국 국방고등연구계획국(DARPA)의 프로그램 관리자인 조나단 호프만(Jonathan Hoffman)은 “이런 일이 발생했을 때 모든 사람이 옥상에서 일어나 소리쳐야 한다고 생각했습니다.”라고 말했습니다. “사람들은 수십 년 동안 이러한 광학 시계를 연구해 왔습니다. 그리고 광학 시계가 인간의 간섭 없이 스스로 작동하는 현실 세계 최초의 사례였습니다.”
Vector Atomic과 QuantX 계열사인 University of Adelaide는 선박에 광학 원자시계를 설치했습니다. [top] 가혹한 환경에서 견고성을 테스트합니다. Vector Atomic의 시계 성능 [bottom] 선박의 흔들림, 온도 변화 및 물 분사에도 불구하고 기본적으로 변하지 않았습니다. 애들레이드 대학의 시계는 다소 저하되었지만 팀은 이 시험을 사용하여 디자인을 개선했습니다. 윌 룬덴
애들레이드 대학교의 시계 바다에서 약간의 성능 저하를 겪었지만 재판의 중요한 결과는 왜 그런 일이 일어났는지 이해하는 것이었습니다. 이를 통해 팀은 소음의 주요 원인을 피하기 위해 설계를 수정할 수 있었다고 Luiten은 말합니다.
2024년 5월 Infleqtion은 Tiqker 시계를 보냈습니다. 비행 중그것과 함께 원자 기반 항법 시스템. 영국 군용 항공기 시험장인 국방부 보스콤 다운(MoD Boscombe Down)에서 단거리 비행에 영국 과학 장관 앤드루 그리피스(Andrew Griffith)와 함께 양자 기술이 탑재되었습니다. Infleqtion의 원자 시계 프로젝트 책임자인 Judith Olson에 따르면 회사는 여전히 비행 데이터를 분석하고 있지만 최소한 시계는 기내의 모든 참조 자료보다 성능이 뛰어났습니다.
세 회사 모두 더욱 컴팩트한 버전의 시계를 개발하고 있습니다. Olson, Luiten, Abo-Shaeer는 모두 서류 가방 크기의 상자를 약 30리터에서 구식 2슬라이스 토스터 크기 정도인 5L로 줄일 수 있다고 확신합니다. “대부분의 상자는 여전히 빈 공간입니다.”라고 Luiten은 말합니다.
해상 시험 중에 Vector Atomic과 Adelaide 대학의 시계가 요소에 노출되었습니다. 존 로슬런드
Infleqtion은 또한 통합 포토닉스를 활용하여 이러한 촘촘한 포장을 가능하게 하는 훨씬 더 작은 100mL 버전용 설계도 갖추고 있습니다. “그 시점에서는 기본적으로 주머니에 들어갈 수 있는 시계를 갖게 됩니다.”라고 Olson은 말합니다. “전력 소모가 여전히 높기 때문에 시간이 지나면 매우 따뜻한 주머니가 될 수 있습니다. 그러나 전력 소모가 크다고 하더라도 이는 잠재적으로 극도로 파괴적인 것으로 인식됩니다.”
세 회사 모두 향후 몇 년 내에 위성을 통해 우주로 디자인을 보낼 계획입니다. Kairos 임무에 따라 QuantX는 2025년에 Tempo 시계의 구성 요소를 우주로 발사할 예정이며, 전체 발사는 2026년으로 예정되어 있습니다.
오늘은 정확한 타이밍
그렇다면 광학 원자시계의 놀라운 정밀도가 필요한 이유는 무엇입니까? 가장 가능성이 높은 즉각적인 사용 사례는 GPS를 사용할 수 없는 상황일 것입니다.
대부분의 사람들은 GPS라고 하면 스마트폰 지도에 표시된 파란색 점을 떠올립니다. 그러나 그 점 뒤에는 뛰어난 타이밍 장치로 구성된 정교한 네트워크가 있습니다. 그것은로 시작한다 협정 세계시(UTC) (UTC)는 전 세계의 다양한 종류 약 400개의 원자시계를 평균하여 정한 표준입니다.
“UTC는 지구의 자전에 의해 제공되는 천문학적 시간 감각보다 100만 배 더 안정적인 것으로 알려져 있습니다.”라고 NIST에서 UTC 시계를 유지하고 개선하는 일을 하는 감독 물리학자인 Jeffrey Sherman은 말합니다.
UTC는 하루에 두 번 GPS 네트워크의 위성으로 전송됩니다. 각 위성에는 일반적으로 루비듐을 기반으로 하는 마이크로파 원자 시계인 자체 시계가 내장되어 있습니다. 이 시계는 자체 장치에 맡겨진 반나절 동안 약 1나노초까지 정확하다고 Sherman은 말합니다. 거기에서 위성은 데이터 센터, 금융 기관, 전력망 및 셀 타워를 포함하여 지구상의 모든 종류의 시설에 대한 시간을 제공합니다.
정확한 타이밍은 위성이 전화 지도에서 파란색 점을 찾을 수 있게 하는 것이기도 합니다. 휴대전화는 3개 이상의 GPS 위성에 연결되어야 하며 3개 모두에서 정확한 시간을 수신해야 합니다. 그러나 위성에서 이동한 거리가 다르기 때문에 시간이 달라집니다. 이 차이를 이용하고 위성의 위치를 파악하면 전화기는 자체 위치를 삼각 측량합니다. 따라서 위성에 탑재된 시간의 정확성은 휴대전화의 위치를 얼마나 정확하게 확인할 수 있는지와 직접적인 관련이 있습니다. 비군사적 버전의 서비스에서는 약 2m입니다.
정확한 시간에 맞춰진 미래
광학 원자시계는 이러한 세계적인 타이밍 체계의 여러 단계에 유용하게 주입될 수 있습니다. 첫째, 장기적으로 충분히 신뢰할 수 있는 것으로 입증되면 다른 시계와 함께(결국에는 다른 시계 대신) UTC 표준을 정의하는 데 사용될 수 있습니다. 현재 표준을 구성하는 대부분의 시계는 다음과 같습니다. 수소메이저. 수소 메이저는 새로운 휴대용 광학시계와 비슷한 정밀도를 갖고 있지만 휴대성과는 거리가 멀다. 크기는 대략 주방 냉장고 정도이고 방 크기의 열 및 진동 제어 환경이 필요하다.
Shermann은 “메이저는 아마도 기술 발전의 마지막 단계에 있다는 데 모두가 동의할 수 있다고 생각합니다.”라고 말합니다. “그들은 실제로 훨씬 더 나아지는 것을 멈췄습니다. 반면 첫날에는 첫 번째 광학 시계 작물이 비슷했습니다. 개발을 장려함으로써 그들이 주도권을 잡을 수 있고 가까운 미래에 훨씬 더 나아질 수 있다는 희망이 있습니다.”
글로벌 타이밍 인프라. 수소 메이저 및 원자 시계를 포함한 정밀 시계 모음은 협정 세계시(UTC)를 생성하는 데 사용됩니다. 위성 네트워크는 정기적으로 UTC와 동기화되는 자체 원자 시계를 운반합니다. 그런 다음 위성은 데이터 센터, 금융 기관, 전력망, 셀 타워 등에 정확한 타이밍을 보냅니다. 휴대폰의 GPS 위치를 확인하기 위해 4개 이상의 위성이 사용됩니다. 광학 원자 시계는 UTC에 포함되거나, 위성을 통해 전송되거나, 데이터 센터, 금융 기관 또는 기지국에서 백업으로 사용될 수 있습니다. 크리스 필팟
둘째, GPS를 사용할 수 없는 상황에서는 광학 시계가 유용할 수 있습니다. 많은 사람들이 GPS를 매우 안정적이라고 생각하지만, 전쟁이나 분쟁 시에는 GPS 신호가 걸리거나 스푸핑되는 경우가 매우 흔합니다. (간섭으로 인해 GPS를 사용할 수 없는 지역의 일일 지도를 보려면 gpsjam.org를 확인하세요.)
이는 미국 국방부에게 있어 큰 문제이다. GPS 기반 시간에 접근할 수 없으면 군사 통신이 손상됩니다. DARPA의 Hoffman은 “국방부 입장에서는 이를 매우 다양한 플랫폼에 적용할 수 있다는 것이 매우 중요합니다.”라고 말합니다. “우리는 이를 선박에 탑재하고 싶고, 항공기에 탑재하고 싶고, 위성과 차량에 탑재하고 싶습니다.”
에서도 문제가 될 수 있습니다. 금융 시장, 데이터 센터그리고 5G 통신. 이러한 모든 사용 사례는 제대로 작동하고 규제 요구 사항을 충족하기 위해 약 1마이크로초의 정확한 타이밍이 필요합니다. 이는 이러한 애플리케이션의 타이밍 소스가 최소한 한 자릿수 이상, 즉 대략 100나노초의 분해능이어야 함을 의미합니다. GPS는 이에 여유 공간을 제공했지만 이러한 산업이 GPS에만 의존하는 경우 전파 방해 또는 스푸핑으로 인해 큰 위험에 처하게 됩니다.
로컬 마이크로파 원자 시계는 백업을 제공할 수 있지만 이러한 시계는 온도가 제어되는 환경에서도 하루에 몇 나노초씩 손실됩니다. 광학 원자시계는 이러한 산업에 보안을 제공할 수 있으므로 장기간 GPS에 대한 액세스가 중단되더라도 운영은 방해받지 않고 계속됩니다.
Infleqtion의 Olson은 “성능에 여유 공간이 있다는 것은 몇 시간, 며칠, 심지어 몇 달 후에도 시계가 얼마나 잘 작동하는지 신뢰할 수 있다는 것을 의미합니다.”라고 말합니다. “성능이 낮은 시계에는 그런 기능이 없습니다.”
마지막으로, 휴대용 광학 원자 시계는 전체 타이밍 패브릭이 나노초에서 피코초 분해능으로 바뀌는 미래의 가능성을 열어줍니다. 이는 더 정확한 GPS의 자체 버전을 형성하기 위해 이 시계를 우주로 보내는 것을 의미합니다. 아모 다른 한편으로는 2미터가 아닌 수 밀리미터의 위치 정밀도가 가능해집니다.
Vector Atomic의 Abo-Shaeer는 “우리는 이를 GPS 2.0이라고 부릅니다.”라고 말합니다. 그는 밀리미터 규모의 위치 분석을 통해 자율주행차가 차선을 유지하거나 배달 드론이 뉴욕시 발코니에 착륙할 수 있게 될 것이라고 주장합니다.
아마도 가장 흥미로운 점은 이 발명이 다양한 분야에서 많은 발명의 가능성을 열어줄 것이라는 점입니다. 우수한 타이밍 옵션을 사용하면 아직 상상하지 못한 새로운 애플리케이션이 열릴 것입니다. “현재 GPS의 한계를 기반으로 많은 애플리케이션이 구축되었습니다. 즉, 이것은 일종의 캐치-22입니다.”라고 NIST의 시간 및 주파수 계측 그룹 리더인 David Howe는 말합니다. “애플리케이션이 사용 가능한 것에 맞게 설계되었기 때문에 더 나은 것으로 넘어갈 수 없는 이 모드에 들어갑니다. 따라서 ‘광시계로 무엇을 할 수 있는지 살펴보자’고 말하기 위해서는 더 큰 비전이 필요할 것입니다.”
