Sebuah Chip Kecil Bisa Menjadi Kunci GPS 1.000 Kali Lebih Akurat
Jam atom optik mempunyai potensi untuk meningkatkan ketepatan waktu dan GPS ketepatan dengan faktor 1.000, meningkatkan presisi ponsel, komputer, dan sistem navigasi. Namun, ukurannya yang besar dan kompleksitasnya menghalangi penggunaannya secara luas di luar laboratorium penelitian.
Kini, ilmuwan dari Universitas Purdue (AS) dan Universitas Teknologi Chalmers (Swedia) telah mengembangkan teknologi terobosan menggunakan microcombs on-chip. Inovasi ini dapat secara dramatis mengecilkan sistem jam atom optik, menjadikannya lebih praktis dan mudah diakses. Hasilnya? Kemajuan besar dalam navigasi, kendaraan otonom, dan pemantauan geospasial.
Jam Atom: Tulang Punggung Pengaturan Waktu yang Presisi
Ponsel, komputer, dan sistem GPS kita memberikan waktu dan posisi yang sangat akurat, berkat lebih dari 400 jam atom di seluruh dunia. Setiap jam — baik mekanis, atom, atau digital — bergantung pada dua komponen utama: osilator dan penghitung. Osilator menghasilkan sinyal yang teratur dan berulang, sedangkan penghitung mengukur siklusnya. Dalam jam atom, siklus ini berasal dari atom yang bergetar antara dua keadaan energi pada frekuensi yang sangat tepat.
Kebanyakan jam atom mengandalkan frekuensi gelombang mikro untuk menginduksi osilasi atom ini. Namun, penelitian terbaru telah mengeksplorasi penggunaan laser untuk menghasilkan osilasi ini secara optik. Sama seperti penggaris yang diberi tanda halus yang memungkinkan pengukuran lebih presisi, jam atom optik dapat membagi satu detik menjadi pecahan yang lebih kecil lagi, sehingga secara dramatis meningkatkan akurasi penunjuk waktu — hingga ribuan kali lipat.
Merevolusi GPS dan Pemantauan Ilmiah
“Jam atom saat ini memungkinkan sistem GPS dengan akurasi posisi beberapa meter. Dengan jam atom optik, Anda dapat mencapai presisi hanya beberapa sentimeter. Hal ini meningkatkan otonomi kendaraan, dan semua sistem elektronik berdasarkan penentuan posisi. Jam atom optik juga dapat mendeteksi perubahan minimal pada garis lintang di permukaan bumi dan dapat digunakan untuk memantau, misalnya, aktivitas gunung berapi,” kata Prof. Minghao Qi dari Universitas Purdue, salah satu penulis penelitian yang baru-baru ini diterbitkan di Fotonik Alam.
Namun, jam atom optik yang ada saat ini berukuran besar dan memerlukan laboratorium kompleks dengan pengaturan laser dan komponen optik tertentu, sehingga sulit untuk menggunakannya di luar lingkungan laboratorium, seperti di satelit, stasiun penelitian jarak jauh, atau drone. Kini, tim peneliti di Universitas Purdue, dan Chalmers, telah mengembangkan teknologi yang membuat jam atom optik menjadi jauh lebih kecil dan dapat diakses untuk digunakan lebih luas di masyarakat.
Sistem Diminiaturisasi oleh Microcombs
Inti dari teknologi baru, dijelaskan dalam artikel penelitian yang baru-baru ini diterbitkan di Fotonik Alamadalah perangkat kecil berbasis chip yang disebut microcomb. Seperti gigi sisir, microcomb dapat menghasilkan spektrum frekuensi cahaya yang terdistribusi secara merata.
“Hal ini memungkinkan salah satu frekuensi sisir dikunci pada frekuensi laser yang pada gilirannya dikunci pada osilasi jam atom,” kata Minghao Qi.
Meskipun jam atom optik menawarkan presisi yang jauh lebih tinggi, frekuensi osilasinya berada pada rentang ratusan THz – frekuensi yang terlalu tinggi untuk “dihitung” secara langsung oleh sirkuit elektronik mana pun. Namun chip microcomb yang dikembangkan para peneliti mampu memecahkan masalah tersebut – sekaligus memungkinkan sistem jam atom menyusut secara signifikan.
“Untungnya, chip microcomb kami dapat bertindak sebagai jembatan antara sinyal optik jam atom dan frekuensi radio yang digunakan untuk menghitung osilasi jam atom. Selain itu, ukuran microcomb yang minimal memungkinkan sistem jam atom menyusut secara signifikan sambil mempertahankan presisi yang luar biasa,” kata Victor Torres Company, Profesor Fotonik di Chalmers dan salah satu penulis studi ini.
Memecahkan Tantangan Referensi Diri
Kendala besar lainnya adalah mencapai “referensi mandiri” yang diperlukan untuk stabilitas sistem secara keseluruhan dan menyelaraskan frekuensi microcomb secara tepat dengan sinyal jam atom.
“Ternyata satu microcomb saja tidak cukup, dan kami berhasil memecahkan masalah tersebut dengan memasangkan dua microcomb, yang jarak sisirnya, yaitu interval frekuensi antar gigi yang berdekatan, berdekatan namun dengan offset kecil, misalnya 20 GHz. Frekuensi offset 20 GHz ini akan berfungsi sebagai sinyal jam yang dapat dideteksi secara elektronik. Dengan cara ini, kita dapat membuat sistem mentransfer sinyal waktu yang tepat dari jam atom ke frekuensi radio yang lebih mudah diakses, kata Kaiyi Wu, penulis utama studi di Universitas Purdue.
Optik Laser Berbasis Chip: Era Baru Jam Atom
Sistem baru ini juga mencakup fotonik terintegrasi, yang menggunakan komponen berbasis chip, bukan optik laser besar.
“Teknologi integrasi fotonik memungkinkan untuk mengintegrasikan komponen optik jam atom optik, seperti sisir frekuensi, sumber atom, dan laser, pada chip fotonik kecil dalam ukuran mikrometer hingga milimeter, sehingga secara signifikan mengurangi ukuran dan berat sistem,” kata Dr. Kaiyi Wu.
Jalan Menuju Produksi Massal dan Penggunaan Sehari-hari
Inovasi ini dapat membuka jalan bagi produksi massal, menjadikan jam atom optik lebih terjangkau dan dapat diakses untuk berbagai aplikasi dalam masyarakat dan sains. Sistem yang diperlukan untuk “menghitung” siklus frekuensi optik memerlukan banyak komponen selain microcomb, seperti modulator, detektor, dan amplifier optik. Studi ini memecahkan masalah penting dan menunjukkan arsitektur baru, tetapi langkah selanjutnya adalah menghadirkan semua elemen yang diperlukan untuk membuat sistem lengkap pada sebuah chip.
“Kami berharap kemajuan material dan teknik manufaktur di masa depan dapat lebih menyederhanakan teknologi, membawa kita lebih dekat ke dunia di mana ketepatan waktu yang sangat presisi adalah fitur standar di ponsel dan komputer kita,” kata Victor Torres Company.
Studi ini dipublikasikan di Fotonik Alam.
Referensi: “Vernier microcombs untuk jam atom optik terintegrasi” oleh Kaiyi Wu, Nathan P. O'Malley, Saleha Fatema, Cong Wang, Marcello Girardi, Mohammed S. Alshaykh, Zhichao Ye, Daniel E. Leaird, Minghao Qi, Victor Torres-Company dan Andrew M. Weiner, 19 Februari 2025, Fotonik Alam.
DOI: 10.1038/s41566-025-01617-0
Penulisnya adalah Kaiyi Wu, Nathan P. O'Malley, Saleha Fatema, Cong Wang, Marcello Girardi, Mohammed S. Alshaykh, Zhichao Ye, Daniel E. Leaird, Minghao Qi, Victor Torres-Company dan Andrew M. Weiner. Pada saat penelitian dilakukan, para peneliti aktif di Universitas Purdue, AS; Universitas Teknologi Chalmers, Swedia, dan Universitas King Saud, Arab Saudi.
Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin SciTechDaily.
Ikuti kami di Google, Discover, dan Berita.
