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장거리에 걸친 광학시계 신호 송신
독일의 물리학자들은 광섬유를 통하여 920 킬로미터의 거리에 걸쳐 주파수를 매우 안정적으로 유지시키면서 빛을 보내었다. 극도로 정확한 광학시계의 개발에 도움을 주는 이 혁신적인 기술은 또한 정밀 분광기, 측지학, 및 장거리 기반 천문학을 포함한 상업 및 과학 분야에 사용될 수 있을 것이다. 광학 시계는 전통적인 원자시계와 같지만 작동하는 주파수는 그보다 훨씬 더 높은 약 1015 헤르쯔이다. 원자 시계는 원자안의 두 개의 에너지 상태 사이에서 발생하는 특정한 전자 구조적 천이 주파수를 사용한다. 따라서 광학시계는 원자시계보다 훨씬 더 정확하다.
실제로 가장 좋은 광학시계는 약 10-18의 주파수 단편 불확실도(fractional uncertainties)를 가지고 있다. 그러나 어떤 시계에 대해서도 두 개 또는 그 이상 장비의 주파수와 비교할 수 있는 것은 중요하다. 특히, 국가들은 그들의 표준 시간을 원자 시계에 따라 설정하고 있으며 모든 국가들이 동일한 결과를 발생하는지를 확실히 하기 위해서 위성 연결을 통하여 여러 국가들과 비교한다. 비교는 특히 기본적인 물리 법칙과 원자 시계의 작동과 연관된 상수를 테스트하는데 중요하다. 그러나 불행히도 위성 연결은 약 10-15의 단편 불확실도만을 비교할 수 있기 때문에 광학시계를 비교하는데 사용될 수 없다. 이에 대한 대체로 조사되고 있는 것 중의 하나는 시간을 비교하기 위해서 장비들 사이를 이동할 수 있는 “움직이는 시계”의 사용이다. 그러나, 축소시킬 수 있는 원자시계와는 달리 광학시계는 레이저와 진공실을 필요로 하는 실험실 크기의 시스템이어야 한다는 문제점이 있다.
다른 그룹들은 시계들 사이의 비교를 위해서 상업적으로 이용 가능한 광섬유를 어떻게 사용할 수 있을까에 대한 연구를 하고 있다. 2009년 독일의 PBT 표준 연구실의 연구진은 10-19의 단편 불확실도를 가진 섬유를 통하여 146 킬로미터에 걸쳐 광신호를 보냈다. 그리고 2011년 일본 국립 정보 통신 기술 연구소의 과학자들은 10-19의 단편 불확실도에서 120 킬로미터의 광섬유에 의해 분리된 두 개의 원자 시계들을 비교하였다. 새로운 연구에서, 막스 프랑크 양자 광학 연구소(MPQ)의 연구진은 920 킬로미터에 이르는 광섬유로 극도로 안정된 광신호를 보냈다. 두개의 광섬유를 이용하여 하나는 광신호를 보냈으며 다른 하나는 반대 방향으로 오는 신호를 받는 데 사용하였다.
연구진은 920 킬로미터에 이르는 거리에 광신호를 송신하는 것은 두가지 기술적 어려움이 있었다고 말하였다. 첫번째는 도착하였을 때 측정될 수 있도록 몇 개의 지점에서 비교적 약화된 신호를 증폭하는 것이고 두번째는 온도나 진동에 의한 국소적인 변화에 의해서 야기되는 광섬유의 광특성의 물리적 변화가 신호의 주파수를 변이 시키지 않는다는 것을 확인하는 것이었다. 첫번째 문제를 해결하는 것은 비교적 쉬웠다고 연구진은 말하였다. 연구진은 9개의 어븀(erbium) 주입된 광섬유 증폭기 9개 쌍을 설치하여 해결하였다. 비록 각 증폭기가 약간의 잡음을 광신호에 주었지만, 이것은 주파수 스펙트럼에 걸쳐 대칭적으로 분포하였기 때문에 신호의 주파수에 영향을 미치지 않았다고 연구진은 말하였다.
광섬유의 광학적 특성의 국부적 변화는 전송된 신호의 주파수를 변이시킬 수 있다. 연구진은 이런 국재적 변화를 피드백 고리를 사용하여 보정하였다. 수신되는 지점에 도착한 일부 빛은 송신하는 곳에 반사된다. 이런 빛은 송신되고 있는 빛과 비교되고 주파수가 조절되어 보내지는 광신호와 수신되는 광신호의 주파수가 같아진다. 이렇게 함으로써, 연구진은 한방향 송신에 대한 단편 불확실도를 4 x 10-19 로 제한할 수 있었다. 그것의 첫번째 실질적인 이용은 극도로 안정된 주파수 표준에 접근을 필요로 하는 정밀 레이저 분광기가 될 것으로 보인다. 원자 시계에서 나오는 신호는 막스 프랑크 양자 광학 연구소의 분광기 연구에 적합하지만, 연구진은 광학시계로부터 나오는 신호가 필요로 하는 시점까지 접근하고 있다고 말하였다. 그 때에, 연구진은 PBT의 원자 시계에서 나오는 신호를 분광기 실험에 사용할 수 있을 것이라고 말하였다.
연구진은 네트워크가 유럽의 다른 연구소들까지 확장될 수 있을 것으로 내다보고 있다. 이것은 런던, 파리, 그리고 다른 곳들의 표준 연구소 연구진이 그들이 광학 시계를 비교할 수 있게 해 줄 것이다. 실제로 영국 국립 물리 연구소에서 연구하고 있는 기우세페 마라(Giuseppe Marra)는 PBR와 막스 프랑크 광학 연구소의 연결은 광학 시계 연결을 위한 전유럽 광 네트워크를 위한 중요한 진일보라고 평가하였다. 실제로 일부 유럽 국가의 과학자들은 이미 적합한 광섬유 네트워크에 접근할 수 있는 조치를 이미 취하였다. 광섬유 네트워크를 유럽과 일본에서 광학 시계를 연결시키는 것은 가능할 것이지만 미국에서는 연구소간의 거리가 너무 멀리 떨어져 쉽지는 않을 것으로 보인다.
분광기와 측정학 분야 이외에도, 그와 같은 광네트워크는 기본적인 과학 분야에서도 사용될 수 있을 것이다. 광학 시계 비트의 속도는 장소와 시간에 의해서 변하지 않아야 하는 미세 구조의 값에 의해서 결정된다. 다른 지역에서의 광학 시계를 비교하는 것은 이런 상수의 변이를 나타낼 수 있어서 새로운 물리학의 연구 분야가 될 수 있다. 광학 시계는 또한 아인슈타인의 상대성 이론에 의해서 지배를 받는다. 예를 들면, 다른 고도에서는 다른 속도로 진동한다. 광학 시계들을 비교하는 것은 이론에서 예측된 것과는 다른 변이를 나타낼 수 있으며 따라서 새로운 물리학 분야를 열 수 있는 것이다. 이들의 연구 결과는 사이언스 저널에 발표되었다.
첨부그림: 920 킬로미터에 걸쳐 광섬유에 의해서 연결된 두 개의 광학 시계 개략도.
출처 : 2012.05.01 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』
http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/apr/26/germany-sends-optical-clock-signal-over-nearly-1000-km
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