Что нового в мире атомных часов — исследования

Финансовые системы, глобальная навигация (включая GPS), авиация, телекоммуникации и интернет-инфраструктура — все это держится на стандарте всемирного времени, который определяют микроволновые атомные часы. Но в скором времени им на смену могут прийти более точные оптические атомные часы. Летом интернациональная группа специалистов из шести стран провела масштабное исследование, объединив несколько таких устройств в сеть, чтобы синхронизировать их показатели и оценить точность работы. Посмотрим на этот и другие научные проекты, авторы которых продолжают совершенствовать атомные часы и, соответственно, стандарт времени.

Очень краткая справка про атомные часы

Микроволновые атомные часы — это важная часть инфраструктуры времени на планете. На их показания опираются критические инфраструктуры: аэропорты и вокзалы, банки и биржа — где важна высокая точность измерения времени, без которого невозможно точно определить координаты.

Микроволновые атомные часы используют переходы между энергетическими уровнями атомов (обычно цезия или рубидия), которые возбуждаются микроволновым излучением: частоту микроволн подстраивают, пока атом не входит в резонанс, и затем используют ее как эталон времени. Однако эта же частота является фундаментальным ограничением, «потолком» точности микроволновых атомных часов.

Ограничение можно обойти, если использовать другие атомы (например, иттербий), переходы в которых совершаются на частотах на порядки выше микроволновой — в оптическом диапазоне. В оптических атомных часах применяется аналогичный принцип резонансного перехода, но возбуждение атомов производят лазером. Такие часы в разы точнее и могут «тикать» до 429 трлн раз в секунду ^[2].

Однако свои недостатки есть и у оптических часов, в частности, они крайне чувствительны. На точность измерения времени влияют доплеровские эффекты, механические вибрации и проч. Кроме того, используемые для облучения атомов лазеры и оптические компоненты достаточно дорогие ^[3]. Тем не менее оптические установки остаются одним из самых перспективных направлений для определения эталона времени.

Они уже проходят испытания в «полевых» условиях — в частности, в морской навигации, где широко применяется GPS. Даже незначительные погрешности в измерениях могут привести к ошибкам определения местоположения в сотни метров, что может быть критично в «водяных пустошах», где отсутствуют какие-либо визуальные ориентиры. В апреле этого года калифорнийский стартап Vector Atomic протестировал ^[4] оптические атомные часы c молекулами йода. По словам разработчиков, их устройство весом около 26 кг в тысячу раз точнее бортовых атомных часов, которые используются на кораблях сегодня. В перспективе подобные устройства могут найти применение ^[2] не только в судоходстве, но и в беспилотных автомобилях.

Кто всем этим занимается

Разработками в сфере оптических атомных часов занимается множество исследовательских институтов по всему миру — новые проекты появляются чуть ли не каждый месяц. Например, в октябре этого года физики из MIT удвоили ^[5] точность оптических часов, уменьшив квантовый шум ^[6]. В перспективе новый подход может привести к разработке более компактных и мобильных оптических установок. Собственную версию оптических часов также представили исследователи из Торонто в конце ноября. Главная особенность разработки заключается ^[7] в охлаждении атомов стронция до температуры ниже пяти кельвинов, чтобы устранить тепловое воздействие и снизить погрешность в частоте колебаний. По словам авторов, новое устройство примерно в сто раз точнее традиционных цезиевых часов. К слову, этот проект недавно обсуждали здесь на Хабре ^[8].

Другой пример — в январе этого года свою разработку представила ^[9] команда из Федерального физико-технического института в Брауншвейге: их ионные часы [специалисты использовали ионы индия] оказались в тысячу раз точнее цезиевых аналогов. Ранее подобные устройства работали с одним ионом, но в новой версии устройства ученые использовали сразу несколько.

Ученые также исследуют идею объединения нескольких оптических атомных часов в сеть для синхронизации показателей. В этом году ученые из шести стран — Финляндии, Франции, Германии, Италии и Великобритании, а также Японии — поделились результатами ^[11] 45-дневного эксперимента, в рамках которого провели крупнейшее на сегодняшний день скоординированное международное сравнение частот оптических атомных часов. Для обмена информацией использовали спутниковую связь и оптоволоконные сети. Специалисты подтвердили работоспособность подобной инфраструктуры однако отметили, что ее развитие потребует дополнительных исследований — особенно в контексте задачи, связанной с переопределением  продолжительности секунды.

Взять и переопределить секунду

Сегодня существует парадокс ^[12]: новые оптические атомные часы измеряют время точнее, чем микроволновые устройства — но именно последние определяют время. Поэтому сейчас ведется работа с целью переопределить продолжительность секунды в системе СИ на основе показаний оптических атомных часов — и это может произойти в течение ближайших пяти лет. Соответствующую дорожную карту ^[13] составили в Консультативном комитете по времени и частоте (CCTF), который является частью Международного бюро мер и весов (МБМВ) во Франции и занимается стандартами TAI ^[14] и UTC ^[15]. Новое определение секунды повлияет сразу на несколько инфраструктурных секторов: телекоммуникации, энергетику, финансы, облачные вычисления, транспорт и космическую деятельность, а также на фундаментальную физику (исследования темной материи и гравитационных волн).

Еще одна перспективная разработка для более точного измерения секунды — это ядерные часы. Для отсчета времени они используют энергетические переходы внутри ядра, менее подвержены ^[16] воздействию магнитных полей и должны быть точнее других атомных часов. Их реализация — совсем не тривиальная задача, поскольку им необходим ^[17] редкий изотоп торий-229. Но над подобной установкой сейчас работают ^[18] российские ученые из Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Они планируют представить прототип своих ядерных часов к 2030–2032 году. Возможно, именно такие устройства станут следующими на очереди в переопределении продолжительности секунды.

О чем еще мы пишем в блоге на Хабре и не только:

• Разметка сетевого трафика: что это, как работает и какие бывают классы ^[19]. Рассказываем, что такое классификация трафика и зачем она нужна оператору связи. Какие бывают типы классификации: по полям заголовков и по сигнатурам, в чем их отличия. Также говорим о наиболее гибком методе обеспечения QoS — DiffServ и его моделях реализации.

• Как менялся ландшафт DDoS-атак в 2025 году ^[20]. Нам нравится анализировать отчеты специалистов по информационной безопасности. Посмотрели на актуальные работы исследователей в этом году, обсудили наиболее громкие DDoS-атаки последних месяцев. 

• «Есть 15 конкурирующих стандартов...»: Media over QUIC — зачем его развивают и что о нем думают в индустрии ^[21]. Это протокол начали развивать еще в 2022 году, но недавно его вновь начали обсуждать на тематических площадках. Его цель — стандартизировать работу с медиаконтентом на сервисах для видеоконференций и стриминговых платформах. Рассказываем, почему в качестве транспорта был выбран именно QUIC и приводим мнения сообщества — некоторые ожидаемо опасаются, что новый протокол не приживется. 

• IPv6, Wi-Fi и ситуации в сфере ИБ — что почитать о беспроводных технологиях и сетевой инфраструктуре ^[22]. Это — наша подборка материалов о возможностях беспроводных технологий и управлении трафиком: почему не взлетел Wireless USB, как оператору защититься от атаки SYN Flood и другие материалы по теме.

• Высоко сижу, далеко гляжу, все вижу! Новые подходы к детекции объектов с помощью радиосигналов ^[23]. Обсуждаем технологию Wi-Fi Sensing и свежие разработки на ее основе: проекты, которые могут посчитать количество людей в помещении и идентифицировать конкретного человека по уникальным искажениям Wi-Fi-сигнала.