De weg naar een Europees Time & Frequency netwerk.

Intro

GÉANT organiseerde afgelopen maand bij het Joint Science Centre (een onderzoeks- en adviesorgaan van de Europese Commissie) een fysieke editie van de Special Interest Group Time & Frequency Network. Tijdens dit evenement in Italië, kwamen NREN’s en NMI’s samen om de contouren van een Europees Time & Frequency-netwerk verder uit te werken. In deze blog leg ik uit wat dit netwerk gaat bereiken en wat de rol van SURF is.

Van nationaal naar internationaal

Veel nationale NREN’s (National Research & Education Networks) hebben in de afgelopen jaren, samen met NMI’s (National Metrology Institutes), Time & Frequency-netwerken aangelegd. Deze netwerken distribueren tijd- en frequentiesignalen via glasvezel naar onderzoekers en soms commerciële partijen. Verschillende vormen van wetenschappelijk onderzoek profiteren van verbeterde synchronisatie en kalibratie van meetapparatuur, wat leidt tot verfijndere resultaten.

Wil je weten hoe we dit doen en hoe het werkt? Lees dan meer over SURF Time & Frequency hier. Of luister naar de podcast die ik hierover maakte met SURF.

Wat nog ontbrak, was grensoverschrijdende connectiviteit tussen deze nationale netwerken. GÉANT werkt nu samen met NREN’s en NMI’s aan een netwerk dat de individuele landen met elkaar verbindt.

Een gouden samenwerking: NREN’s & NMI’s

De afgelopen jaren hebben NREN’s en NMI’s elkaar steeds beter gevonden en zijn ze nauwer gaan samenwerken. NMI’s leveren de klokken en de bron voor het Time & Frequency-signaal, terwijl NREN’s het netwerk en de expertise hebben om deze signalen te distribueren.

Interessant genoeg hebben de makers van deze klokken, die doorgaans de bron vormen van de huidige Time & Frequency-netwerken, het netwerk nu zelf nodig voor de doorontwikkeling van de zogeheten optische klokken.

Optische klokken

Optische klokken zijn de volgende generatie klokken die de tijd nog nauwkeuriger kunnen meten dan de huidige cesium-atoomklokken. Door gebruik te maken van lasers in plaats van microgolven (hogere frequentie betekent hogere precisie), kunnen deze klokken tot honderden keren nauwkeuriger meten dan de huidige generatie. In 2030 moet deze technologie leiden tot een herdefinitie van de seconde.

Maar hoe weet je of een optische klok correct werkt? Meten is vergelijken. Als je bijvoorbeeld de lengte van een bacterie wilt bepalen, gebruik je geen rolmaat van de bouwmarkt—je hebt een nauwkeuriger meetinstrument nodig. Op dezelfde manier kan een optische klok, die pas na 15 miljard jaar één seconde verkeerd loopt, alleen worden getest door vergelijking met een andere optische klok.

Zo’n klok verplaats je echter niet zomaar in een koffer per trein van Amsterdam naar Braunschweig (waar een andere optische klok wordt ontwikkeld). Zie foto hieronder. Dit vereist een andere aanpak.

Foto van een onderdeel van de Amsterdamse Optische Klok (in wording). Meer info over de Amsterdamse klok: iqclock.eu

Kloksignalen vergelijken via het netwerk

Wat wél mogelijk is, is het transporteren van het frequentiesignaal van een optische klok via een netwerk. Op die manier kunnen klokken op verschillende locaties met elkaar worden vergeleken. En niet slechts twee klokken je hebt meerdere klokken nodig om te bepalen welke van hen eventueel een afwijking vertoont.

De technologie voor het transporteren van deze frequentiesignalen is inmiddels zo geavanceerd dat het signaalverlies kleiner is dan de onnauwkeurigheid van de klokken zelf. Dit is precies wat de eerste fase van het Core Time/Frequency Network (C-TFN) mogelijk maakt. Via dit netwerk kunnen in Amsterdam Science Park Nederlandse klokken vergeleken worden met klokken uit Duitsland en Frankrijk. Amsterdam Science Park krijgt daarmee een centrale rol in dit nieuwe netwerk, wat een unieke situatie oplevert: een locatie waar signalen van de beste NMI’s ter wereld samenkomen en vergeleken worden.

Nationaal Ultra Stable Optical Frequency Network

Niet alleen onderzoekers op het gebied van tijdsmeting profiteren van deze signalen. Verschillende SURF-leden, zoals ESA, VU en TU/e  hebben al aangegeven dat zij toegang willen krijgen tot deze uiterst precieze frequentiesignalen.

De techniek die dit mogelijk maakt, Ultra Stable Optical Frequency (een soort ‘White Rabbit on steroids’), is nog eens een factor 1000 nauwkeuriger dan White Rabbit, met een precisie in de pico- en femtoseconden. Dit heeft toepassingen in onder andere quantumcomputing. Daarom installeren we nu al filters in het nationale netwerk om deze signalen te kunnen distribueren. Zo blijft SURF vooroplopen in het ondersteunen van onderzoekers in Nederland.