Работая в сотрудничестве с британской лабораторией оборонной науки и техники (Dstl) и частично финансируемая ею, команда квантовых физиков разработала новые подходы, которые не только уменьшают размер их часов, но и делают их достаточно надежными для транспортировки из лаборатории и использования в "реальном мире"..

Квантовые - или атомные - часы широко рассматриваются как необходимые для все более точных подходов к таким областям, как онлайн-коммуникации по всему миру, навигационные системы или глобальная торговля акциями, где доли секунды могут иметь огромное экономическое значение. Атомные часы с оптическими тактовыми частотами могут быть в 10 000 раз точнее, чем их микроволновые аналоги, что открывает возможность переопределения стандартной единицы измерения (СИ).

Еще более совершенные оптические часы однажды могут существенно изменить ситуацию как в повседневной жизни, так и в фундаментальной науке. Обеспечивая более длительные периоды между повторной синхронизацией, чем другие виды часов, они обеспечивают повышенную устойчивость национальной инфраструктуры синхронизации и открывают возможности для будущих приложений позиционирования и навигации для автономных транспортных средств. Непревзойденная точность этих часов также может помочь нам заглянуть за пределы стандартных моделей физики и понять некоторые из самых загадочных аспектов Вселенной, включая темную материю и темную энергию. Такие часы также помогут ответить на фундаментальные физические вопросы, такие как, действительно ли фундаментальные константы являются "постоянными" или они меняются со временем

Ведущий исследователь, доктор Йогешвар Кейл, сказал: "Стабильность и точность оптических часов делают их критически важными для многих будущих информационных сетей и коммуникаций. Как только у нас будет система, готовая к использованию за пределами лаборатории, мы сможем использовать их, например, в наземных навигационных сетях, где все такие часы подключены по оптоволокну и начали общаться друг с другом. Такие сети уменьшат нашу зависимость от систем GPS, которые иногда могут давать сбои.

"Эти переносные оптические часы не только помогут улучшить геодезические измерения - фундаментальные свойства формы Земли и изменения силы тяжести, - но также послужат предшественниками для мониторинга и идентификации геодинамических сигналов, таких как землетрясения и извержения вулканов на ранних стадиях".

Хотя такие квантовые часы быстро развиваются, ключевыми препятствиями для их внедрения являются их размеры - современные модели поставляются в фургоне или в автомобильном прицепе и имеют объем около 1500 литров - и их чувствительность к условиям окружающей среды, ограничивающим их транспортировку между различными местами.

Бирмингемская команда, базирующаяся в британском центре квантовых технологий Sensors and Timing, разработала решение, которое решает обе эти проблемы в упаковке, представляющей собой "коробку" объемом около 120 литров и весом менее 75 кг. Работа опубликована в Квантовая наука и технология.

Представитель Dstl добавил: "Dstl рассматривает технологию оптических часов как ключевой фактор будущих возможностей Министерства обороны. Такого рода часы обладают потенциалом для формирования будущего, повышая устойчивость национальной инфраструктуры и изменяя способ проектирования коммуникационных и сенсорных сетей. При поддержке Dstl Бирмингемский университет добился значительного прогресса в миниатюризации многих подсистем оптических решетчатых часов и при этом преодолел множество серьезных инженерных проблем. Мы с нетерпением ждем, какого дальнейшего прогресса они смогут добиться в этой захватывающей и быстро развивающейся области".

Часы работают с использованием лазеров как для создания, так и для последующего измерения квантовых колебаний в атомах. Эти колебания могут быть измерены с высокой точностью, а по частоте можно также измерить время. Задача состоит в том, чтобы свести к минимуму внешние воздействия на измерения, такие как механические вибрации и электромагнитные помехи. Для этого измерения должны проводиться в вакууме и с минимальными внешними помехами.

В основе нового дизайна лежит камера сверхвысокого вакуума, меньшего размера, чем любая из ранее использовавшихся в области квантового учета времени. Эта камера может быть использована для улавливания атомов, а затем их охлаждения очень близко к значению "абсолютного нуля", чтобы они достигли состояния, в котором их можно использовать для прецизионных квантовых датчиков.

Команда продемонстрировала, что они могут захватить почти 160 тысяч ультрахолодных атомов внутри камеры менее чем за секунду. Кроме того, они показали, что могут транспортировать систему на расстояние более 200 км, прежде чем настроить ее так, чтобы она была готова к проведению измерений менее чем за 90 минут. Система смогла выдержать повышение температуры на 8 градусов выше комнатной во время путешествия.

Доктор Кейл добавил: "Мы смогли продемонстрировать надежную и отказоустойчивую систему, которая может быть быстро транспортирована и настроена одним обученным специалистом. Это приближает нас на шаг к тому, чтобы увидеть, как эти высокоточные квантовые приборы используются в сложных условиях за пределами лабораторных условий ".