Российские физики создали эталон времени нового поколения.
Отделение физических наук РАН на Общем собрании представило для доклада президента Академии наук Геннадия Красникова о важнейших достижениях 2024 года работы ученых Физического института им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН) и Российского квантового центра, которые впервые в мире провели сличение двух оптических часов на атомах тулия (Tm). Достигнутое физиками рекордное для этой системы значение относительной погрешности измерения частоты энергетических атомных переходов 10-16 означает, что, если бы эти часы работали 14 миллиардов лет (возраст Вселенной), они бы разошлись в показаниях менее чем на 43 секунды.
Атомные часы - сложнейший инструмент для измерения времени. Принцип их работы основывается на использовании в качестве эталона частоты разницы энергий атомных уровней. Ученые добиваются, чтобы частоты этих переходов не зависели от внешних условий - температуры, давления, влажности, но измерение их параметров - непростая задача. Для улавливания атомов, изоляции их от посторонних воздействий и детектирования сигнала физики создают и используют комплексные системы с лазерами, вакуумом, глубоким охлаждением, хитроумными системами стабилизации частоты атомных переходов.
Зачем нужна такая точность? За разъяснениями корреспондент «Поиска» обратился к директору ФИАН академику Николаю КОЛАЧЕВСКОМУ.
– Работы, заложившие ключевые физические основы квантовой метрологии, начали в ФИАН коллективы под руководством Николая Геннадиевича Басова и Владилена Степановича Летохова, - рассказывает Н.Колачевский. - Их цель в 1960-х годах была сугубо фундаментальной - проверить незыблемость физических констант и Общую теорию относительности Эйнштейна, опытным путем доказать, что гравитация «искривляет» время. Для этого требовалось замедлить атомы. Басов и Летохов первыми предложили и теоретически обосновали метод лазерного охлаждения атомов и ионов, прев-зошедший криогенную технику. Без этой революционной работы современные оптические часы и многие направления квантовой физики были бы невозможны. Позже огромная практическая польза этих идей проявилась в ходе развития спутниковой связи, Интернета и мобильных технологий.
Сегодня безупречная синхронизация процессов, основой которой служат сверхточные измерители времени, критична для многих областей нашей жизни. Достижения квантовой метрологии неустанно работают на человечество в незаметном, «фоновом», режиме.
В навигации (GPS/ГЛОНАСС) точность позиционирования до сантиметров требует синхронизации спутниковых сигналов с погрешностью в миллиардные доли секунды. Финансовые операции должны иметь точную временную метку, пакеты данных и банковские транзакции - прибывать в строгом порядке, а электростанции, объединенные в энергосеть - работать в унисон. И атомные часы обеспечивают эту глобальную временную координацию, предотвращая хаос в цифровой инфраструктуре.
По релятивистскому замедлению времени стало возможно с высокой точностью измерять гравитационное поле Земли, что помогает выполнять операции, критически важные для прогнозирования климата и управления природными ресурсами: искать полезные ископаемые, отслеживать уровень Мирового океана и движение тектонических плит.
Очевидно, что передовые технологии не такого уж далекого будущего - квантовые компьютеры, защищенные квантовые коммуникации следующего поколения, сверхточная навигация и геодезия (особенно в космосе) - потребуют еще более точной синхронизации.
– Мы в ФИАН выбрали для создания оптических часов тулий из-за уникальных преимуществ его атома, - поясняет Н.Колачевский.
Среди них - узкая оптическая линия, обеспечивающая высокую потенциальную точность, устойчивость частоты переходов к внешним полям. Это делает тулий идеальной платформой для создания компактных и транспортируемых стандартов частоты, по ряду параметров превосходящих аналоги на других атомах.
Полученный учеными результат по сличению показаний двух независимых систем не просто улучшение предыдущего рекорда и проверка воспроизводимости (подтверждение, что результат не случайность), но и доказательство зрелости технологии. Оптические тулиевые часы достигли точности, превосходящей микроволновые стандарты.
Кроме того, это демонстрация возможности сравнения между собой высокоточных оптических часов, которая открывает путь к созданию сетей эталонов для таких часов на разных платформах.
По вопросам наземного обеспечения шкалы времени для системы ГЛОНАСС ФИАН сотрудничает с ведущим метрологическим институтом России ВНИИФТРИ, занимающимся хранением, эксплуатацией и совершенствованием эталонной базы, отметил Н.Колачевский.
Академик уверен, что в обозримой перспективе вполне реально создать транспортируемые оптические часы с точностью до 17-го знака для вывода на орбиту. Сравнение показаний сверхточных атомных часов в космосе с такими же часами на Земле позволит с беспрецедентной точностью измерить релятивистские эффекты и проверить предсказания Общей теории относительности в условиях, недостижимых в земных лабораториях.
Орбитальные часы могут стать опорными точками для глобальной сверхточной синхронизации часов по всему миру. И, конечно, создание автономной системы навигации, не зависящей от сигналов с Земли, станет основой автономных навигационных систем для будущих межпланетных миссий.
– У нас есть все необходимое для решения этой амбициозной задачи, - утверждает ученый. - Для старта проекта нужны четкая постановка цели, финансирование и команда.
Атомные часы - яркий пример того, как сложнейшие фундаментальные исследования, рожденные жаждой познания, становятся краеугольным камнем глобальных систем, без которых немыслима современная цивилизация. История их создания доказывает, что кажущиеся многим бесполезными инвестиции в «чистую» науку сегодня - это строительство фундамента для завтрашних прорывных технологий.
Прогресс «тикает» с атомной точностью, и российские исследователи доказали, что умеют его слышать. Результаты их работы, опубликованные в ведущих российских (УФН, «Письма в ЖЭТФ») и международных (Nature Communications, Physical Review A) журналах, подкрепляют лидерство отечественной науки в этой области.
Надежда ВОЛЧКОВА
Обложка: Компактная система оптических часов на атомах тулия. Фото предоставлено отделом по связям с общественностью ФИАН
