Dankzij White Rabbit staan alle horloges gelijk
Publicatie
Nederland bouwt aan een netwerk waarin de tijd met een nauwkeurigheid van slechts enkele miljardste delen van een seconde kan worden verstuurd. Hoewel het netwerk in eerste instantie bedoeld is voor toepassingen in wetenschappelijk onderzoek, is de verwachting dat er in de nabije toekomst ook meer alledaagse toepassingen komen voor deze extreem nauwkeurige tijd.
Hoe weten we hoe laat het is in Nederland?
Wie wil weten hoe laat het is, kijkt op een horloge, op een telefoon, op klokken op het station, op de kerktoren of andere publieke gebouwen, of we kijken of luisteren naar tv en radio waar op min of meer vaste tijden het journaal wordt uitgezonden. Voor veel alledaagse toepassingen zijn deze tijdsindicaties voldoende nauwkeurig. We vragen ons zelden af of de tijd die we van de klok aflezen wel klopt of waar bijvoorbeeld een mobiele telefoon de tijd vandaan haalt. Het lijkt allemaal vanzelfsprekend dat klokken de juiste tijd aangeven, maar wie wat dieper in de materie duikt en een kijkje achter de schermen neemt, zal zien dat er toch wel wat meer bij komt kijken om alle klokken synchroon te krijgen en te houden.
De enige echte officiële tijd is de ‘gecoördineerde universele tijd’ (UTC). De UTC is de tijd die elke maand wordt berekend door het Internationaal Bureau voor Maten en Gewichten (BIPM) op basis van een soort gewogen gemiddelde van circa 450 atoomklokken die verspreid staan in circa 85 tijdlaboratoria over de wereld. Daarin wordt het gewicht van elke klok bepaald op basis van de voorspelbaarheid van de klok; de ene klok tikt namelijk regelmatiger dan de andere. Maar omdat de UTC in feite alleen bestaat op papier, zorgen de tijdlaboratoria ervoor dat ze ieder een eigen fysiek tijdsignaal maken dat de UTC zo goed mogelijk benadert.
In Nederland is VSL het nationale metrologisch instituut, door de overheid aangewezen om de nationale meetstandaarden, waaronder ook de fysieke tijdstandaard, te realiseren en te beheren. Deze Nederlandse tijdschaal wordt aangeduid met UTC(VSL). UTC(VSL) wordt momenteel gerealiseerd op basis van vier atoomklokken. Door het gedrag van de klokken te voorspellen, wordt UTC(VSL) zodanig gestuurd dat deze zo goed mogelijk synchroon blijft met de echte UTC. In de afgelopen tien jaar was het verschil tussen de Nederlandse tijd en UTC typisch minder dan twintig nanoseconden (twintig keer een miljardste deel van een seconde).
Maar wat heeft Nederland aan zo’n extreem nauwkeurige tijdschaal als deze alleen beschikbaar is in het VSL-laboratorium?
Auteur
Erik Dierikx MSc
Principal Scientist Electricity & Time
Tijddistributie via een netwerk
Voor de nationale tijdbewakers was het al lang duidelijk dat die nauwkeurige tijd ook beschikbaar moet zijn buiten het laboratorium in Delft. Maar hoe doe je dat zo nauwkeurig mogelijk?
Sinds de opkomst van het internet zijn al snel protocollen ontstaan om computers met elkaar te synchroniseren. Het bekendste en meest toegankelijke protocol is het Network Time Protocol (NTP). Het concept is vrij eenvoudig. Computer 1 (client) stuurt een bericht naar computer 2 (server) met daarin het tijdstip van verzenden (tTx1). De server markeert het tijdstip van ontvangst van dit bericht (tRx2) en voegt deze informatie toe aan het bericht. Vervolgens stuurt de server het bericht weer terug naar de client voorzien van het tijdstip van verzenden (tTx2). Ten slotte voegt de client nog het tijdstip toe waarop deze het retourbericht heeft ontvangen (tRx1). Als we aannemen dat het bericht van de client naar de server er even lang over doet als terug van de server naar de client, dan kan de client uit de vier tijdstempels berekenen wat de looptijd is van het bericht en hoeveel tijdverschil er zit tussen de klok van de client en van de server. Hiermee kan de client dan zijn eigen klok bijstellen zodat deze synchroon loopt met de klok van de server.
Via NTP kunnen we synchroniseren met een nauwkeurigheid van ongeveer één milliseconde, en voor veel computernetwerken is dat ruim voldoende. Via het internet zijn er diverse NTP-servers beschikbaar waaronder ook een server van VSL die direct gekoppeld is aan UTC(VSL), zodat iedereen toegang heeft tot de officiële Nederlandse tijd.
Nóg nauwkeurigere metrologie voor tijd
Een nauwkeurigheid van één milliseconde is echter niet voor alles voldoende. In Nederland gaven met name enkele universiteiten en onderzoeksinstellingen aan dat ze behoefte hadden aan tijd- en frequentiesignalen die bijna net zo nauwkeurig zijn als de UTC(VSL) zelf.
Daarom werd omstreeks 2015, in een samenwerking tussen SURF, de Vrije Universiteit in Amsterdam, Nikhef en VSL een test uitgevoerd met een nieuwe synchronisatietechniek die was ontwikkeld bij CERN. Deze techniek is gebaseerd op het Precision Time Protocol (PTP) in combinatie met synchroon ethernet. PTP lijkt erg op NTP, maar het belangrijkste verschil is dat de tijdstempels niet in software maar in hardware worden bepaald. De nauwkeurigheid van de tijdstempels wordt daarmee al ongeveer een factor duizend beter.
De combinatie met synchroon ethernet maakt dit nog eens een factor duizend beter. Synchroon ethernet zorgt er namelijk voor dat het ritme waarin de ethernetpakketjes door de server worden verzonden (één gigabit per seconde) direct gekoppeld wordt aan de frequentie van de atoomklok, dus in dit geval UTC(VSL). De client kan op basis van het ritme van de ontvangen ethernetpakketjes de frequentie van zijn interne klok zodanig bijregelen dat deze vrijwel dezelfde regelmaat heeft als de atoomklok waaraan de server gekoppeld is.
Doordat bovendien het heen- en het teruggaande signaal door dezelfde glasvezel lopen, kan de looptijd van het signaal met een nauwkeurigheid van beter dan één nanoseconde worden gecorrigeerd. Dus de atoomklok, de server en de client lopen allemaal binnen één nanoseconde synchroon. Deze synchronisatiemethode kreeg de naam White Rabbit, vernoemd naar het witte konijn met zakhorloge in het verhaal van Alice in Wonderland en is inmiddels opgenomen in de PTP-standaard IEEE 1588-2019.
Een nationaal distributienetwerk voor tijd
Toen de werking van een eerste synchronisatieverbinding tussen Delft en Amsterdam was aangetoond, was al snel duidelijk dat dit de basis zou worden van een landelijk netwerk waarmee de Nederlandse tijd ontsloten kon worden vanuit het VSL-laboratorium in Delft voor iedereen die daar behoefte aan heeft. SURF nam het initiatief om in een deel van haar glasvezelnetwerk golflengtes te reserveren voor tijd- en frequentiedistributie en ging met partner OPNT aan de slag om een White Rabbit-netwerk te bouwen.
Als eerste werd de Technische Universiteit Delft aangesloten voor een experiment met nauwkeurige positionering en navigatie in het NWO TTW SuperGPS-project. Daarna volgde al snel een verbinding via Leiden naar het Europese centrum voor ruimtevaartonderzoek en technologie in Noordwijk (ESA-ESTEC). Vervolgens werd de verbinding vanuit Noordwijk doorgetrokken naar Amsterdam waar de Universiteit van Amsterdam, de Vrije Universiteit en Nikhef werden aangesloten voor onder andere spectroscopisch onderzoek aan atomen en moleculen om bijvoorbeeld nog nauwkeurigere atoomklokken te maken en om natuurconstanten nauwkeuriger te bepalen.
Om de consistentie en nauwkeurigheid van het tijdsignaal te monitoren, werd het netwerk via Utrecht en Rotterdam terug naar Delft gesloten. Vervolgens werd de verbinding vanuit Noordwijk doorgetrokken naar Amsterdam waar de Universiteit van Amsterdam, de Vrije Universi teit en Nikhef werden aangesloten voor onder andere spectroscopisch onderzoek aan atomen en moleculen om bijvoorbeeld nog nauwkeurigere atoomklokken te maken en om natuurconstanten nauwkeuriger te bepalen. Om de consistentie en nauwkeurigheid van het tijdsignaal te monitoren werd het netwerk via Utrecht en Rotterdam terug naar Delft gesloten.
Uit de metingen die zijn uitgevoerd is gebleken dat de tijd die de aangesloten instellingen ontvangen via dit netwerk minder dan vijf nanoseconden afwijkt van de tijd in het VSL-laboratorium in Delft, en de relatieve frequentieafwijking bedraagt minder dan 1·10^-13 Hz/Hz ten opzichte van het 10 MHz-signaal van UTC(VSL). Voor diverse groepen onderzoekers is dit een enorme vooruitgang in de nauwkeurigheid van beschikbare tijd- en frequentiesignalen, wat hun onderzoek ten goede komt.
Ondertussen wordt het netwerk verder uitgebreid met takken naar de Technische Universiteit Eindhoven, waar nauwkeurige synchronisatie nodig is voor de ontwikkeling van quantumcomputers, en naar het Nederlands instituut voor radioastronomie ASTRON, waar de synchronisatie ten goede komt aan de analyse van alle signalen die worden ontvangen met hun radiotelescopen om zodoende het universum beter in kaart te brengen. Zo wordt stap voor stap gewerkt naar een landelijke dekking.
White Rabbit en internationale metrologie van tijd
Het ziet ernaar uit dat het netwerk niet zal stoppen bij de Nederlandse grenzen. De White Rabbit-techniek is zo nauwkeurig dat de tijdlaboratoria binnen Europa deze ook kunnen gebruiken om hun tijdschalen onderling met elkaar te vergelijken, wat nodig is voor de berekening van de UTC. Nu lopen dergelijke metingen nog hoofdzakelijk via satellieten, maar White Rabbit en andere meetmethoden via glasvezel bieden een waardig alternatief.
Ook is de verwachting dat deze extreem nauwkeurige synchronisatie niet alleen belangrijk is voor wetenschappelijk onderzoek. Ontwikkelingen in de telecom laten zien dat ook daar synchronisatie steeds nauwkeuriger moet worden om de groeiende hoeveelheid data te kunnen verwerken. En als het netwerk voor mobiele telefonie volledig gesynchroniseerd is binnen enkele nanoseconden, dan vormt dit een uitstekende basis voor bijvoorbeeld een systeem voor navigatie en positionering dat onafhankelijk is van navigatiesatellieten. En zo zijn er nog veel meer toepassingen te bedenken.
