Коммерческий дебют портативных оптических атомных часов

Атомы являются самыми точными хранителями времени в мире – настолько, что секунда определяется ровно как 9 192 631 770 тиков атомных часов на основе цезия. Коммерчески доступные версии этих атомарно точных часов лежат в основе GPS, навигации, передачи данных и финансовых рынков, и они работают на микроволновых частотах или миллиардах тик-так в секунду. Через день их хронометраж отстает менее чем на десять наносекунд.

Однако, как бы хорошо это ни было, следующее поколение атомных часов будет еще более точным. Эти лабораторные конструкции работают на оптических частотах, то есть тикают десятки триллионов раз в секунду. Лучшие из них могут сохранять точность до 10 фемтосекунд (10^-15 с) через сутки или в течение секунды через 50 миллиардов лет. И вскоре вы впервые сможете купить один из своих собственных: Vector Atomic, стартап из Калифорнии, США, разместил первые портативные оптические часы на рынке.

«Сегодня единственные часы, которые вы можете купить, — это микроволновые часы», — говорит Джонатан Хоффман, менеджер программы Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), которое финансировало эту работу. «Если вы перейдете к оптическому переходу, вы получите огромный выигрыш в точности, аккуратности и производительности, но в то же время он обычно сопряжен с невероятной сложностью. Нахождение счастливого компромисса – это настоящая битва».

Находим нужные атомы

Основное отличие оптических часов от их микроволновых предшественников — это лазеры. Чтобы построить максимально точные часы, ученые используют атомы, которые предлагают самые узкие атомные переходы – обычно стронций или иттербий – и проектируют свои лазерные системы с учетом конкретных требований этих атомов. Атомы хранятся в вакуумных камерах, а для их охлаждения и улавливания используются разные лазеры, а другие лазеры блокируют нежелательные переходы или опрашивают нужный, используемый в часах. Все эти лазеры, а их всего около дюжины, нуждаются в стабилизации на точных частотах, а их обслуживание требует постоянного контроля.

Чтобы создать менее точную, но более надежную и портативную версию оптических часов, генеральный директор и соучредитель Vector Atomic Джамиль Або-Шаир пришлось применить другой подход. «Вместо того, чтобы проектировать систему вокруг атома, мы разработали систему вокруг лазеров», — говорит он.

По словам Або-Шаера, самые прочные и проверенные временем лазеры — это те, которые используются в телекоммуникациях и промышленной обработке. Благодаря годам (или даже десятилетиям) коммерческих исследований и разработок они стали чрезвычайно компактными и стабильными, и он и его команда выбрали подходящий им вид атомов: молекулярный йод. Эта молекула имеет удобные переходы вблизи инфракрасного лазера с удвоенной частотой, обычно используемого при механической обработке. Команда также выбрала простую установку с паровой ячейкой, которая позволяет избежать охлаждения атомов до низких температур или их удержания в сверхвысоком вакууме.

Результатом стали оптические часы под ключ, которые команда назвала Evergreen, объемом всего 30 литров — примерно с проигрыватель пластинок. Хотя точность измерения времени Evergreen далека от лабораторного уровня, она в 100 раз точнее, чем существующие микроволновые часы сопоставимого размера. Он также соответствует характеристикам часов на основе водородных мазеров — устройств размером с встроенный холодильник, которые чрезвычайно чувствительны к шуму окружающей среды.

Ходовые испытания

Летом 2022 года прототип Evergreen провел три недели на борту корабля в море для испытаний. Все это время часы работали без какого-либо вмешательства. По возвращении команда проверила работу часов и обнаружила, что они не значительно ухудшились, несмотря на турбулентность и перепады температуры на борту корабля. «Когда это произошло, я подумал, что все должны встать и кричать с крыш», — говорит Хоффман. «Я имею в виду, что люди работали над этими оптическими часами десятилетиями. И это был первый случай, когда оптические часы работали самостоятельно, без вмешательства человека, в реальном мире».

По словам Або-Шаера, размер и стабильность Evergreen открывают путь к широкому внедрению таких часов в навигации, особенно когда сигналы GPS блокируются или подделываются; в центрах обработки данных и телекоммуникационных протоколах; и для синхронизации сигналов от удаленных детекторов в научных целях. В настоящее время точность GPS составляет около трех метров, но более точная синхронизация с помощью спутников может снизить эту точность до нескольких сантиметров или меньше, позволяя автономным транспортным средствам оставаться на своих полосах, а дронам-доставщикам приземляться на балконе. Возможность разделить время на более мелкие части должна также обеспечить более высокую пропускную способность связи, добавляет Або-Шаир.

Портативные часы с оптической решеткой измеряют высоту

Будут ли именно эти часы служить основой для следующего поколения GPS и более быстрой передачи данных, еще неизвестно. Но, тем не менее, технологический прогресс значителен, говорит Элизабет Донли, руководитель отдела времени и частоты Национального института стандартов и технологий США (NIST) в Боулдере, штат Колорадо. «В следующем десятилетии на рынке может появиться множество других типов оптических часов», — говорит Донли, который не участвовал в работе Vector Atomic. «Сердцем этой штуки является ячейка паров йода, но эту инфраструктуру можно использовать и для других типов часов».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/portable-optical-atomic-clock-makes-its-commercial-debut/