Metrologialaitos VTT MIKES on edistynyt työssään uuden sukupolven optisen atomikellon kehittämiseksi. Pohjoismaiden ensimmäinen optinen kello on osoitettu koekäytössä toimivaksi, ja sen mittaustarkkuutta parannetaan edelleen. Tavoite on, että VTT MIKES voisi osallistua kellon avulla maailmanajan ylläpitoon ja SI-sekunnin yhä tarkempaan määrittelyyn.

Maailmassa on kasvava tarve tarkalle ajalle, muun muassa 5G-tietoliikenneverkoissa, digitaalisissa sähköverkoissa ja digitaalisessa kaupankäynnissä, kuten nopeassa pörssikaupassa. Tarkkaa aikaa hyödynnetään lisäksi monilla aloilla perusfysiikasta maanmittaukseen ja satelliittinavigoinnista tähtitieteen radioastronomiaan. 

Ajan tarkka mittaaminen perustuu atomikelloihin ja esimerkiksi Suomen virallista aikaa pidetään yllä kaupallisten atomikellojen avulla. Perinteisesti atomikellot ovat mitanneet aikaa tuottamalla atomien energiasiirtymään viritettyjä mikroaaltoja. Uuden sukupolven optiset valokellot mittaavat aikaa tuottamalla sen sijaan valoa määrätyllä taajuudella. Valon avulla aikaa voidaan mitata kymmeniä kertoja tarkemmin kuin kaupallisilla atomikelloilla. Kaupallisen atomikellon taajuus vastaa SI-sekuntia tyypillisesti 14 desimaalin tarkkuudella eli se edistää tai jättää yhden nanosekunnin vuorokaudessa. Optisen atomikellon tarkkuus on jo nyt 17 desimaalia eli tuhat kertaa parempi ja sitä voidaan käyttää jatkuvasti käyvien kaupallisten atomikellojen kalibrointiin. 

VTT MIKES voisi mitata sekunnin 18 desimaalin tarkkuudella

VTT MIKES on kehittänyt laserjäädytettyyn ioniin perustuvaa valokelloa lähes kymmenen vuoden ajan. VTT MIKESin varovaisen arvion mukaan mittaustarkkuus voisi yltää 18 desimaaliin vuonna 2030. 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. 

”Vastaavanlaisia optisia kelloja on maailmassa kehitteillä kymmeniä, mutta vain seitsemällä optisella kellolla (Ranska, Japani, USA, Etelä-Korea, Italia) on toistaiseksi osallistuttu virallisesti maailmanajan ylläpitoon. 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.

Myös taajuusvertailut tarkentuvat

VTT MIKESin optinen atomikello osallistui keväällä 2022 ensimmäiseen kansainväliseen taajuusvertailuun, jonka tulokset julkaistaan pian. Lähivuosien tutkimustyön tavoitteena on edelleen parantaa tarkkuutta ja automatisoida kellon toimintaa niin että se pysyy käynnissä viikkoja tai kuukausia ilman huoltoa. 

Kun 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. 

Samasta syystä yhä enemmän aikaa ja taajuutta jaetaan satelliittijärjestelmien sijaan valokuitujen avulla atomikelloista käyttäjille. Toistaiseksi MIKESin optinen atomikello on ainoa Pohjoismaissa, mutta tulevaisuudessa valokuituyhteydet maantieteellisesti lähellä oleviin muihin optisiin atomikelloihin mahdollistavat yhä tarkemmat vertailut.

Tarkkaa aikaa tarvitaan monessa – valokellon avulla omavaraiseksi ajan suhteen

Ajan tarkkaa mittaamista tarvitaan yhteiskunnan kriittisen infrastruktuurin ja keskeisten toimintojen ylläpitoon. Sillä on merkitystä esimerkiksi 5G-verkkojen ja digitalisoituvien sähköverkkojen toiminnalle sekä arvopapereiden sähköiseen kauppaan. Satelliittinavigointiin perustuva ratkaisu, kuten auton navigaattori tai urheilukello, on esimerkki sovelluksesta, jossa tarkkaa aikaa käytetään jatkuvasti. Radioaallot etenevät satelliiteista käyttäjille valon nopeudella eli n. 30 cm nanosekunnissa. Jotta navigointi onnistuisi muutamien metrien tarkkuudella, aikaviiveet satelliiteista käyttäjälle on kyettävä mittaamaan muutaman nanosekunnin tarkkuudella. 

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. 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.