W latach 50. XX wieku metrologia czasu i częstotliwości przeżyła rewolucję – wtedy w laboratoriach NPL zbudowano pierwszy zegar atomowy oparty na przejściach pomiędzy poziomami w atomach cezu 133Cs, pracujący w obszarze mikrofal. Pierwsza praktyczna realizacja zegara atomowego uzyskała niepewność rzędu 10-10, ale późniejszy rozwój technologii pozwolił obniżyć tę niepewność do poziomu 10-13 dla wzorców komercyjnych i 10-16 dla fontanny cezowej - pierwotnego wzorca częstotliwości. Obecnie wzorce atomowe są wykorzystywane powszechnie nie tylko w laboratoriach czasu i częstotliwości, ale szeroko rozumianym życiu ekonomicznym i społecznym, np. w telekomunikacji czy nawigacji satelitarnej.
Na początku obecnego stulecia mieliśmy okazję obserwować kolejny przełom w tej dziedzinie. Gigantyczny postęp w laserowym chłodzenia i pułapkowaniu atomów oraz jonów, a także technologii laserowej, skutkowały konstrukcją zegarów atomowych (jonowych) pracujących w zakresie optycznym. Powstały tzw. optyczne zegary atomowe, osiągające niepewność rzędu 10-18. Umożliwia to podjęcie prac nad kolejną redefinicją sekundy, która zapewni znaczący postęp we wszystkich dziedzinach nauki i technologii wymagających precyzyjnej metrologii czasu.
Optyczne zegary atomowe nie są komercyjnie dostępne i funkcjonują obecnie jedynie w kilku zaawansowanych laboratoriach metrologicznych na świecie. Dzięki wysiłkowi kilku instytucji naukowych tworzących Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej i Molekularnej (KL FAMO) zlokalizowane w Instytucie Fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK, dwa takie zegary wykorzystujące atomy 88Sr funkcjonują też w Polsce. Ich dostępność, zwłaszcza dla zastosowań metrologicznych, jest jednak ograniczona, ze względu na fakt, że prace z wykorzystaniem zegarów POZA muszą być prowadzone w KL FAMO. Niniejsza koncepcja rozproszonego zegara optycznego stwarza szansę na dramatyczną poprawę tej sytuacji.
Aby w pełni wykorzystać potencjał zegarów POZA, należy opracować sposób na dowiązanie lokalnych wzorcowych oscylatorów optycznych zlokalizowanych w różnych miastach Polski do zegarów POZA. Proponujemy opracowanie koncepcji i szczegółowe przetestowanie systemu o nazwie „rozproszony optyczny zegar atomowy”. Celem projektu jest stworzenie koncepcji metody umożliwiającej dowiązanie lokalnych oscylatorów do zegarów POZA z wykorzystaniem sieci światłowodowej. Stabilność krótkoczasowa oscylatorów ma zapewnić ich konstrukcja, natomiast długoczasowo taki oscylator będzie dyscyplinowany do jednego z zegarów POZA.
W KL FAMO częstotliwość wzorcowa generowana przez optyczny zegar atomowy (długość fali ok. 700 nm), zostanie, poprzez optyczny grzebień częstotliwości, przeniesiona do okna transmisyjnego światłowodu (ok. 1550 nm). Lokalny oscylator optyczny, stabilizowany do wysokiej jakości wnęki optycznej, zapewni stabilność krótkoczasową sygnału w podczerwieni. Wykorzystane zostaną łącza światłowodowe wyposażone w regeneracyjne stacje laserowe oraz dwukierunkowe wzmacniacze optyczne, udostępnione na potrzeby projektu przez Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe. Dzięki temu utworzona zostanie pętla o długości kilkuset km, przez którą wzorcowy sygnał optyczny wróci do KL FAMO, gdzie trafi do zdalnego terminala optycznego zegara atomowego. Terminal ten, wyposażony w bardzo podobny oscylator lokalny, będzie korzystał z sygnału przesłanego przez stabilizowane fazowo łącze światłowodowe (pętla. Wykorzystanie łącza światłowodowego w formie pętli pozwoli testować jakość transmisji sygnału wzorcowego w KL FAMO.
Wymiernym efektem projektu będzie konkretne rozwiązanie, możliwe do wdrożenia jako system transferu wzorcowej częstotliwości optycznej pomiędzy KL FAMO a kampusem GUM w Kielcach. Ponadto wypracowane metody można będzie wykorzystać do ogólnokrajowego systemu przesyłania sygnału zegara POZA (lub innego zegara optycznego) do innych punktów, realizując w ten sposób koncepcję ogólnopolskiego rozproszonego optycznego zegara atomowego.
