Non solo grandi moli di dati sulle reti della ricerca. L’importanza della fibra ottica per misurare il tempo con elevata accuratezza

Tra le applicazioni per cui è indispensabile l’utilizzo di infrastrutture digitali in fibra ottica non ci sono soltanto i grandi esperimenti scientifici che producono enormi moli di dati. Il caso dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) dimostra come il trasferimento dei segnali ottici per la misura del tempo attraverso la fibra consente di portare un’accuratezza senza precedenti fino a laboratori distanti centinaia di chilometri in pochissimi istanti aprendo per il futuro scenari finora impensabili.

All’INRIM di Torino si trova l’orologio campione nazionale che realizza la definizione del secondo nel Sistema Internazionale delle misure. I segnali degli orologi sono diffusi con diverse tecniche, evolute negli anni. Certamente sono noti il segnale radiotelevisivo attraverso la RAI, così come la trasmissione attraverso la rete dati (Network Time Protocol, NTP) o attraverso l’uso dei segnali satellitari, in particolare il GPS.

Davide Calonico
INRIM Divisione di Metrologia fisica
Ricercatore
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La sincronizzazione di un orologio remoto con il GPS è uno dei metodi più diffusi, tuttavia, per trasferire l’accuratezza di un orologio atomico di un istituto primario, sono necessari più di venti giorni di misura. Oggi la migliore realizzazione del secondo è data dagli orologi a fontana di cesio. Ne esistono solo una decina di esemplari nel mondo, di cui due all’INRIM. Per raggiungere l’accuratezza di una fontana di cesio con le più sofisticate tecniche satellitari occorrono 20-40 giorni. Nel 2012, il premio Nobel della Fisica è stato attribuito a David Wineland per le sue ricerche sugli “orologi ottici”, una nuova generazione di orologi atomici basati non più su una microonda, come nel caso del cesio, bensì su radiazione visibile dello spettro elettromagnetico. Dal 2014, gli orologi ottici hanno consolidato un’accuratezza inferiore a 10^-17, fino a 2x10^-18, e sono basati su diversi atomi, come itterbio, stronzio, mercurio, sia neutri che ioni. In Italia, per esempio, l’INRIM ha sviluppato un orologio ottico ad atomi neutri di itterbio.

Ancora molti passi si devono compiere prima di una ridefinizione del secondo, ma il processo è cominciato, esistendone il fondamento scientifico e tecnologico. Uno dei limiti attuali è il metodo di confronto remoto: per gli orologi ottici, i confronti satellitari richiedono fino a 1000 giorni di misura, chiaramente una situazione non adeguata. Per risolvere il problema, dal 2005 è stata intrapresa la ricerca sul trasferimento in fibra ottica di segnali di laser ultrastabili in frequenza. La tecnica si è consolidata in questi dieci anni dimostrando di essere adeguata alle prestazioni dei nuovi orologi.

Ad oggi, sia in Germania che in Italia, su più di 1000 km di fibra è stato trasferito un segnale con incertezza aggiunta di 1x10^-19 in soli 1000 secondi di misura: valori adeguati a confrontare e distribuire anche gli orologi ottici. Si tratta di uno sviluppo rivoluzionario che ha un impatto generale nella metrologia di tempo.

Il ruolo dell’infrastruttura di rete

L’unità di tempo può essere trasferita con un laser, ovvero una radiazione elettromagnetica di frequenza definita. La sua frequenza, misurata rispetto agli orologi dell’Istituto metrologico, arriva al laboratorio remoto e diventa un riferimento con il quale sincronizzarsi. Tuttavia, per avere una misura efficace bisogna superare l’ostacolo insito nel mezzo stesso della fibra, ovvero le variazioni della sua lunghezza per fattori ambientali di natura meccanica, termica o vibrazionale.

La variazione di lunghezza della fibra si traduce sul laser in un rumore di fase, che deteriora le sue caratteristiche di stabilità. Per ovviare al problema, si applica una cancellazione attiva del rumore della fibra: una parte della radiazione arrivata a destinazione viene retroriflessa verso il laboratorio di partenza. Qui, il segnale laser è confrontato con l’originale, da cui si ricava un’informazione sul rumore introdotto dalla fibra. Un attuatore optoelettronico compensa il rumore applicando una correzione uguale e contraria. È solo con la cancellazione che si ottengono i risultati attesi, garantendo su più di 1000 km un contributo d’incertezza accettabile. Affinché però la correzione sia efficace, la radiazione riflessa deve ripercorrere la stessa fibra, ovvero il cammino deve essere completamente bidirezionale, ponendo richieste di tipo infrastrutturale e strumentale. Infatti, occorrono sia una fibra bidirezionale (e non la solita coppia di fibre) che sistemi di amplificazione bidirezionali che non inneschino oscillazioni laser problematiche causate dalle riflessioni della fibra. Il link ottico è stato dimostrato in sistemi a fibra dedicata, o dark fiber, e in architettura WDM in un singolo canale dedicato in copresenza di altri utenti e traffico dati.

Il tempo in fibra in Italia e in Europa

In Italia, l’INRIM, con il supporto tecnico e organizzativo del GARR, ha realizzato finora tre link ottici che collegano Torino al Tunnel del Frejus, a Medicina (Bologna) e a Sesto Fiorentino (Firenze). Questi 800 km di fibra costituiscono il primo segmento di una rete che si estenderà più a sud, a Roma, Napoli e Matera tra il 2015 e il 2016, e si allaccerà a nord alla rete europea di link in fibra a cui l’INRIM sta attivamente lavorando con i partner di Francia, Germania, Regno Unito e con gli organi della Metrologia Internazionale. Sul tratto Torino-Firenze è stato realizzato anche un doppio link, che ha permesso di caratterizzare l’equivalente di 1300 km di fibra. Inoltre, dopo la sperimentazione iniziale, le tecnologie sviluppate sono mature per l’applicazione anche in ambito industriale. La realizzazione dei collegamenti è avvenuta in collaborazione con il GARR e, per la parte verso il Tunnel, con il Consorzio TOP-IX. Il link principale, tra Torino e il Polo Scientifico di Sesto Fiorentino (Università di Firenze, LENS, CNR), consente oggi di studiare proprietà della materia allo stato ultra freddo indagando le proprietà spettroscopiche più fini.

Tra gli esperimenti in corso ci sono diverse misure di fisica atomica e molecolare: fornendo il riferimento degli orologi attraverso la fibra si vuole misurare con sempre maggiore precisione i livelli energetici dei sistemi quantistici per indagare, per esempio, la stabilità temporale di alcune costanti fisiche fondamentali, messa in causa dalle teorie oltre il Modello Standard. Il secondo link ottico collega l’INRIM a Medicina (BO) presso i radiotelescopi dell’INAF. I radiotelescopi sono dotati di orologi atomici commerciali sofisticati, i maser all’idrogeno, fondamentali per le osservazioni e per le tecniche di VLBI, l’interferometria a lunghissima base che consente di mettere insieme le osservazioni di telescopi distanti centinaia di km l’uno dall’altro.

Il terzo link verso il tunnel del Frejus permetterà di confrontare, a un livello finora mai sperimentato, due orologi posti a una quota molto diversa (la differenza è di 1000 m), osservando così gli effetti della relatività generale che creano una differenza di frequenza tra orologi posti a potenziali di gravità diversa. Si parla per questi esperimenti di geodesia relativistica, un campo ancora da esplorare, soprattutto considerando gli effetti dinamici del potenziale gravitazionale. Per concludere, l’estensione verso Matera è motivata dalla convergenza di interessi di geodesia e di radioastronomia vista la presenza del Centro di Geodesia Spaziale dell’ASI che si avvale di antenne radioastronomiche pilotate da orologi al maser di idrogeno. In questo caso, migliorare l’accuratezza del riferimento tramite l’estensione del link ottico Torino-Matera equivale ad innalzare il livello di precisione della geodesia per avere un monitoraggio più fine degli effetti geofisici che riguardano il pianeta. A questa attività italiana si accompagna un intenso sforzo per realizzare una rete europea di link ottici, a cominciare dai collegamenti dei primi quattro istituti metrologici, che si trovano in Francia, Germania, Italia e Regno Unito.

I link consentiranno un confronto diretto degli orologi ottici di questi istituti, un passo importante verso la ridefinizione del secondo. Da questi collegamenti fondamentali, poi, si potrà estendere verso i centri scientifici di eccellenza, le comunità scientifiche più coinvolte (ad esempio, la geodesia spaziale) e infine l’industria continentale. La rete in fibra, quindi, oltre a trasportare dati, si avvia sempre più a portare un riferimento di tempo ultrapreciso, su cui si potrà costruire una parte del futuro scientifico e tecnologico europeo. In questo contesto, la collaborazione con le reti della ricerca europee si dimostra fondamentale per espandere i collegamenti tra le diverse nazioni. In particolare, GARR e Renater, la rete francese, hanno già avviato la progettazione di link transfrontalieri tra Torino e Lione in grado di trasportare sia il segnale ottico usato in metrologia che il traffico dati a beneficio degli utenti del mondo accademico e della ricerca.

Nell'immagine sopra, la trasmissione del secondo in ambito multidisciplinare. La mappa mostra la rete europea di link ottici grazie alla collaborazione tra le reti della ricerca.