Могут ли оптические часы переопределить длину секунды? Оптические атомные часы могут предложить практическую замену микроволновым атомным часам как основу глобального хронометража.

В журнале Optica исследователи представляют способ использования оптических часов для более точного хронометража, чем это возможно с сегодняшней системой традиционных атомных часов. Исследователи также измерили частоту оптических часов — аналогично их «тиканью» — с беспрецедентной точностью.Более точная глобальная система учета времени позволит финансовым сетям использовать более точные метки времени и, таким образом, обрабатывать еще больше транзакций за более короткие промежутки времени. Это также позволит GPS и другим спутниковым навигационным системам предоставлять еще более точную информацию о местоположении.

Хотя в течение некоторого времени оптические часы были более точными, чем микроволновые, их сложность и, как следствие, длительные простои сделали их непрактичным использование для всемирного хронометража.«Мы показали, что даже при простоях сегодняшних оптических часов они все еще могут улучшить хронометраж», — сказал Кристиан Гребинг, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Национальный метрологический институт Германии, который является членом исследовательской группы. «Мы достигли лучших характеристик по сравнению с лучшими микроволновыми фонтанными часами, которые обычно считались менее надежными и, следовательно, менее подходящими для практического применения шкалы времени».Как долго длится секунда?

Часы работают, подсчитывая повторяющееся событие с известной частотой, например колебание маятника. Для традиционных атомных часов повторяющимся событием является собственное колебание атома цезия, частота которого находится в микроволновой области электромагнитного спектра. С 1967 года Международная система единиц (СИ) определяет секунду как время, которое проходит в течение 9 192 631 770 циклов микроволнового сигнала, создаваемого этими колебаниями.

Атомные часы чрезвычайно точны, потому что они основаны на естественных и универсальных колебаниях атомов. Однако даже лучшие атомные микроволновые часы могут накапливать ошибку около 1 наносекунды в течение месяца.Оптические часы работают аналогично микроволновым часам, но используют атомы или ионы, которые колеблются примерно в 100 000 раз выше, чем микроволновые частоты, в оптической или видимой части электромагнитного спектра. Эти более высокие частоты означают, что оптические часы «тикают» быстрее, чем микроволновые атомные часы, и это способствует их более высокой точности и стабильности во времени.

Однако оптические часы действительно испытывают значительные простои из-за их более высокой технической сложности.Делаем оптические часы практичными

Чтобы справиться с простоями, от которых страдают современные оптические часы, исследователи объединили коммерчески доступный мазер со стронциевыми часами на оптической решетке в PTB, национальном метрологическом институте Германии. Мазер, который похож на лазер, за исключением того, что он работает в микроволновом спектральном диапазоне, может использоваться как тип надежного маятника с ограниченной точностью, чтобы сократить время простоя оптических часов.

Исследователи перекрыли большой спектральный промежуток между оптической частотой оптических часов и микроволновой частотой мазера с помощью гребенки оптических частот, которая эффективно разделяет более медленные микроволны «такты», чтобы соответствовать более быстрым «тактам» оптических часов.«Мы сравнили постоянно работающий мазер с нашими оптическими часами и скорректировали частоту мазера, пока у нас были данные от оптических часов», — сказал Гребинг. «Во время простоев оптических часов мазер стабильно работает сам по себе».Исследователи работали с мазерными и оптическими часами в течение 25 дней, в течение которых оптические часы работали около 50 процентов времени.

Даже при простоях оптических часов от минут до двух дней исследователи вычислили временную ошибку менее 0,20 наносекунды за 25 дней.

Переосмысление второгоЧтобы переопределить секунду на основе оптических часов, необходимо не только убедиться, что оптические часы практичны, но также необходимо сравнить их частоту или «тиканье» со старым определением секунды в системе СИ. Для этого исследователи сравнили свои стронциевые оптические часы с двумя микроволновыми часами в PTB. Включение мазера значительно улучшило статистическую погрешность этих измерений, что позволило исследователям измерять абсолютную частоту стронциевых колебаний оптических часов с наименьшей из когда-либо достигнутых погрешностей.

Полученная относительная погрешность порядка 2,5 · 10-16 соответствует потере всего 100 секунд за возрастом Вселенной — около 14 миллиардов лет.«Наше исследование является важной вехой с точки зрения практического внедрения оптических часов», — сказал Гребинг. «Идея состоит в том, что мы могли бы сегодня внедрить эти оптические часы в инфраструктуру хронометража, которая у нас есть сейчас, и мы выиграем».Хотя оптические часы показывают время примерно в сто раз лучше, чем атомные, Гребинг сказал, что, по его мнению, до истинного переопределения секунды может потребоваться еще десять лет. Имеет смысл отложить переопределение секунды СИ до тех пор, пока не станет ясно, какой из нескольких доступных типов оптических часов лучше всего подходит для глобального хронометража.

Кроме того, с очень быстрым темпом совершенствования технологии оптических часов предел точности этих часов еще полностью не известен.«Мы хотим улучшить инфраструктуру хронометража во всем мире, создавая все более совершенные часы и интегрируя их в инфраструктуру хронометража», — сказал Гребинг. «То, что мы продемонстрировали, является первым шагом к глобальному совершенствованию хронометража».

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.