Оптические атомные часы

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Оптические атомные часы (также оптические часы) — тип атомных часов, в которых эталоном частоты служит атомный или ионный переход в оптическом диапазоне.

Поскольку оптические частоты составляют порядка сотен терагерц, часы этого типа обеспечивают более точное измерение времени, чем микроволновые цезиевые часы, и относятся к наиболее прецизионным измерительным приборам современной физики[1]. Развитие оптических часов является одним из главных направлений метрологии времени и частоты, а их растущая стабильность и уменьшающаяся систематическая неопределённость делают их одними из основных кандидатов на будущее переопределение секунды[2].

Принцип действия[править]

В оптических часах роль осциллятора выполняет ультрастабильный лазер, частота которого настраивается на очень узкий квантовый переход в атоме или ионе[1]. Поскольку частоты света слишком высоки, чтобы их можно было непосредственно подсчитывать с помощью классической электроники, для сравнения оптического сигнала с радиодиапазоном используется оптическая частотная гребёнка[3].

Для ограничения влияния внешних возмущений атомы обычно охлаждаются лазером и удерживаются в ловушках. На практике разрабатываются два основных типа конструкций: часы на оптической решётке с большим количеством нейтральных атомов и ионные часы, в которых используется один ион или небольшое их количество в ионной ловушке[1]. Частота лазера, выполняющего роль локального осциллятора, стабилизируется относительно часового перехода в цепи обратной связи, а конечная точность требует контроля систематических сдвигов, вызываемых, в частности, электрическими и магнитными полями, тепловым излучением окружения, движением атомов и условиями в ловушке[1]. В некоторых ионных часах считывание состояния перехода осуществляется с помощью квантово-логической спектроскопии, заключающейся в связывании часового иона со вторым, более лёгким для считывания вспомогательным ионом[4].

Типы и характеристик[править]

К наиболее важным типам реализации относятся часы, использующие атомы стронция и иттербия в оптической решётке, а также ионные часы, основанные, в частности, на алюминии и ртути[1]. Часы на оптической решётке используют очень большое количество атомов, что улучшает статистическую стабильность измерения, тогда как ионные часы обеспечивают очень точный контроль над отдельным квантовым объектом[1].

Выбор атома или иона зависит от свойств часового перехода и экспериментальных возможностей. Желательными являются прежде всего очень узкие оптические переходы, возможность эффективного лазерного охлаждения и малая чувствительность к внешним возмущениям, таким как внешние поля или тепловое излучение. Важное значение имеет также доступность соответствующих длин волн для лазеров, используемых для возбуждения, охлаждения и считывания[1][5].

Иттербиевые часы на оптической решётке в NIST. Слева видна атомная печь, а в центре — вакуумная камера, в которой атомы иттербия захватываются и исследуются с помощью лазеров

В лучших современных часах систематическая неопределённость снижается ниже 10−18[5]. Такая точность уже достаточна для обнаружения эффектов общей теории относительности, связанных с небольшими различиями высот в гравитационном поле Земли[6].

История и развитие[править]

Ключевым техническим прорывом в развитии оптических часов считается разработка фемтосекундных частотных гребёнок, которые позволили надёжно связать оптический диапазон частот с микроволновым и радиодиапазоном[3]. В первые десятилетия XXI века были разработаны как часы на оптической решётке, так и ионные часы. Их параметры сначала достигли уровня лучших цезиевых часов, а затем превзошли их[1][2].

Часы на стронции в JILA. Синий лазер возбуждает ультрахолодные атомы стронция в оптической ловушке, а наблюдаемая флуоресценция позволяет оценить эффективность предшествующего возбуждения красным лазером

В начале XXI века важным направлением стали часы на оптической решётке, разрабатываемые, в частности, командой Хидэтоси Катори, который предложил использовать оптическую решётку для одновременного удержания многих атомов и уменьшения части возмущающих эффектов[1]. Параллельно развивались прецизионно контролируемые ионные часы, благодаря чему обе архитектуры начали конкурировать за звание самых точных стандартов частоты[1].

В 2013–2018 годах очередные демонстрации для стронциевых и иттербиевых часов показали, что оптические стандарты достигли уровня, по крайней мере сравнимого с цезиевыми фонтанами, а затем снизились до неопределённости порядка 10−18; их стабильность позволила достигать этого уровня после соответствующего времени усреднения[7][8]. Во второй половине десятилетия также разрабатывались трёхмерные часы на оптической решётке, основанные на квантовом газе Ферми, которые указали путь к дальнейшему увеличению числа атомов без потери качества измерения[9]. Это укрепило позицию оптических стандартов как преемников цезиевых фонтанов и открыло путь к таким применениям, как релятивистская геодезия[6].

Одним из важнейших направлений развития стало использование оптических часов в качестве кандидатов на новое определение секунды. Согласно международному плану действий, опубликованному в 2024 году, переход от определения, основанного на сверхтонком переходе цезия, к определению, основанному на оптических стандартах, рассматривается как реалистичная цель на 2030-е годы[2]. При этом BIPM отметил, что стронциевые и иттербиевые оптические стандарты начали участвовать в калибровке международного атомного времени (TAI)[10]. Однако официальные материалы BIPM подчёркивают, что переопределение всё ещё требует выполнения обязательных критериев дорожной карты CCTF, включающих, в частности, вклад оптических стандартов в TAI и обеспечение соответствующего распространения нового определения[11]. Также продолжает обсуждаться вопрос, должно ли новое определение основываться на одном оптическом переходе или на комбинации нескольких таких переходов[11]. Оптические часы всё ещё остаются в основном исследовательскими инструментами, но всё чаще включаются в практическую метрологическую инфраструктуру и межлабораторные испытания[2][10][11]. В июне 2022 года японский институт NICT сообщил, что с августа 2021 года использует оптические часы на решётке NICT-Sr1 для поддержания государственной шкалы времени наряду с существующей системой цезиевых часов[12].

Применения[править]

Оптические атомные часы разрабатываются прежде всего как стандарты времени и частоты нового поколения. Они находят применение в реализации и сравнении шкал времени, в проверках фундаментальных физических теорий, в сверхточных геодезических измерениях, а также как потенциальный источник сигнала для будущих спутниковых навигационных систем[6][13]. Их рассматривают также как основу для всё более точного распространения времени и построения будущих шкал времени на основе оптических стандартов[2][12]. Неопределённости порядка 10−18, достигаемые лучшими оптическими часами, в научно-популярном приближении соответствуют отклонению на 1 секунду лишь примерно через 30 миллиардов лет[14].

Ключевым практическим вопросом является не только сами часы, но и передача времени и частоты между удалёнными лабораториями. В настоящее время большинство связей с всемирным координированным временем (UTC) основано на методах GNSS, которые хорошо соответствуют потребностям лучших микроволновых стандартов, но не позволяют полностью использовать характеристики лучших оптических часов[11]. По этой причине разрабатываются оптоволоконные линии связи для сравнений на большие расстояния, уже продемонстрированные в континентальном масштабе порядка 1000 км, а также двунаправленные методы, транспортируемые часы и спутниковые и космические решения для будущих межконтинентальных сравнений[11][13].

Такие линии связи необходимы как для более широкого участия оптических часов в создании международного атомного времени (TAI) и будущих реализациях UTC(k), так и для распространения сигнала времени пользователям за пределами национальных метрологических лабораторий[2][11]. В 2020-х годах также разрабатывались локальные сети из многих оптических часов и более портативные конструкции, что имеет значение для сравнений, проводимых в метрологических лабораториях, и для будущих применений за пределами классической лаборатории[15][13].

В Польше[править]

Стенд в Национальной лаборатории FAMO в Торуни, связанный с работами над оптическими атомными часами

В конце 2014 года в Национальной лаборатории FAMO были собраны первые в Польше оптические атомные часы на основе атомов стронция в оптической решётке, а в феврале 2015 года публично объявлено о запуске установки в рамках проекта «Построение Польских Оптических Атомных Часов» (POZA)[16][17][18]. Это была установка из двух часов, использующих ультрахолодные атомы стронция, построенная в сотрудничестве Университета Николая Коперника, Варшавского университета и Ягеллонского университета[18].

В 2022–2024 годах УНК, АГГ, ЯУ и ВУ реализовывали проект «Структура распределённых оптических атомных часов для общенациональной метрологии частоты», включающий подготовку волоконно-оптической передачи оптического сигнала между FAMO в Торуни и кампусом Главного управления мер в Кельцах[19].

См. также[править]

Примечания[править]

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 Andrew D. Ludlow, Martin M. Boyd, Jun Ye, Ekkehard Peik, Piet O. Schmidt (2015). «Optical atomic clocks» (en). Reviews of Modern Physics 87 (2): 637–701. DOI:10.1103/RevModPhys.87.637.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 N Dimarcq; M Gertsvolf; G Mileti; S Bize; C W Oates; E Peik (2024-02-01). «Roadmap towards the redefinition of the second» (en). Metrologia 61 (1). DOI:10.1088/1681-7575/ad17d2.
  3. ↑ 3,0 3,1 Tara Fortier; Esther Baumann (2019-12-06). «20 years of developments in optical frequency comb technology and applications» (en). Communications Physics 2 (1). DOI:10.1038/s42005-019-0249-y.
  4. ↑ P. O. Schmidt, T. Rosenband, C. Langer, W. M. Itano, J. C. Bergquist, D. J. Wineland (2005-07-29). «Spectroscopy Using Quantum Logic» (en). Science 309 (5735): 749–752. DOI:10.1126/science.1114375.
  5. ↑ 5,0 5,1 Mason C. Marshall et al. (2025). «High-Stability Single-Ion Clock with 5.5×10^-19 Systematic Uncertainty» (en). Physical Review Letters 135 (3). PMID 40758035.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 W. F. McGrew et al. (2018-12-06). «Atomic clock performance enabling geodesy below the centimetre level» (en). Nature 564 (7734): 87–90. DOI:10.1038/s41586-018-0738-2.
  7. ↑ B. J. Bloom; T. L. Nicholson; J. R. Williams; S. L. Campbell; M. Bishof; X. Zhang (2014-01-22). «An optical lattice clock with accuracy and stability at the 10^−18 level» (en). Nature 506 (7486): 71–75. DOI:10.1038/nature12941. PMID 24463513.
  8. ↑ T. L. Nicholson; S. L. Campbell; R. B. Hutson; G. E. Marti; B. J. Bloom; R. L. McNally (2015-04-21). «Systematic evaluation of an atomic clock at 2 × 10^-18 total uncertainty» (en). Nature Communications 6. DOI:10.1038/ncomms7896. PMID 25898253.
  9. ↑ Sara L. Campbell et al. (2017). «A Fermi-degenerate three-dimensional optical lattice clock» (en). Science 358 (6359): 90–94. DOI:10.1126/science.aam5538. PMID 28983047.
  10. ↑ 10,0 10,1 Record number of frequency standards contribute to International Atomic Timeангл.. Bureau International des Poids et Mesures (2021-12-21). Архивировано из первоисточника 25 февраля 2026. Проверено 16 апреля 2026.
  11. ↑ 11,0 11,1 11,2 11,3 11,4 11,5 Frequently Asked Questions concerning the Redefinition of the Secondангл.. Bureau International des Poids et Mesures. Архивировано из первоисточника 8 ноября 2025. Проверено 16 апреля 2026.
  12. ↑ 12,0 12,1 The World's First Use of an Optical Lattice Clock to Keep National Standard Timeангл.. National Institute of Information and Communications Technology (2022-06-20). Архивировано из первоисточника 21 апреля 2025. Проверено 16 апреля 2026.
  13. ↑ 13,0 13,1 13,2 Thilo Schuldt; Martin Gohlke; Markus Oswald; Jan Wüst; Tim Blomberg; Klaus Döringshoff (July 2021). «Optical clock technologies for global navigation satellite systems» (en). GPS Solutions 25 (3). DOI:10.1007/s10291-021-01113-2.
  14. ↑ Gadomska, Aleksandra Sekunda – co nowego?польск.. Główny Urząd Miar. Архивировано из первоисточника 16 апреля 2026. Проверено 16 апреля 2026.
  15. ↑ Xin Zheng et al. (2022). «Differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock» (en). Nature 602 (7897): 425–430. DOI:10.1038/s41586-021-04344-y. PMID 35173344.
  16. ↑ Pierwszy polski zegar optyczny działa w Toruniu (aktl.)польск.. Nauka w Polsce (2015-02-17). Архивировано из первоисточника 16 апреля 2026. Проверено 16 апреля 2026.
  17. ↑ Polski Optyczny Zegar Atomowy w Toruniuпольск.. Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego. Архивировано из первоисточника 16 апреля 2026. Проверено 16 апреля 2026.
  18. ↑ 18,0 18,1 Polski optyczny zegar atomowyпольск.. Instytut Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Архивировано из первоисточника 16 апреля 2026. Проверено 16 апреля 2026.
  19. ↑ Polska Metrologia. "Struktura rozproszonego optycznego zegara atomowego dla ogólnokrajowej metrologii częstotliwości"польск.. Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu. Архивировано из первоисточника 9 октября 2025. Проверено 16 апреля 2026.

Руниверсалис

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Руниверсалис» («Руни», руни.рф) под названием «Оптические атомные часы», расположенная по адресу:

—https://руни.рф/Оптические_атомные_часы

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC BY-SA.

Всем участникам Руниверсалиса предлагается прочитать «Обращение к участникам Руниверсалиса» основателя Циклопедии и «Почему Циклопедия?».

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Оптические_атомные_часы&oldid=2714751