Поставлен новый рекорд точности атомных часов

Физики из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали улучшенную версию своих экспериментальных часов на основе одного атома алюминия, добившись тем самым беспрецедентной точности – ошибка в секунду накопится у новинки лишь за 3,7 миллиарда лет.

Заменив ртуть и бериллий, использовавшиеся в более ранней версии часов, на алюминий и магний, разработчики достигли нового предела точности. На снимке – центральная часть часов, между этими электродами и удерживаются ионы, необходимые для отсчёта времени (фото J. Koelemeij/NIST).

Как сообщается в пресс-релизе, новый хронометр-рекордсмен получил название "Quantum Logic Clock" так как он заимствует механизм обработки и хранения данных у экспериментальных квантовых компьютеров.

Напомним, в классических атомных часах два иона металлов находятся в электромагнитной ловушке на расстоянии нескольких микрометров друг от друга. При воздействии на них лазером, взаимодействие атомов позволяет выделять два состояния — условные 0 и 1. Колебания системы между этими состояниями, по сути, и есть отсчёт времени. Один из таких атомов в ловушке при этом служит собственно "хранителем" времени (по нему и называют часы – "на основе алюминия", "на основе цезия" и так далее), а второй необходим для "снятия показаний".

О предыдущем монстре, атомных часах, базирующихся на атоме ртути, мы рассказывали – обновлённые "Quantum Logic Clock" превосходят своего предка по точности почти в десять раз. К тому же, новые часы разделяют время на меньшие интервалы, что в будущем может позволить человечеству измерять его точнее в 100 раз.

Сотрудник NIST Джеймс Чин-вэнь Чоу (James Chin-wen Chou) демонстрирует устройство самых точных часов в мире. Ион алюминия расположен в металлическом цилиндре в центре справа (фото J. Burrus/NIST).

Сейчас учёные NIST работают над пятью различными типами экспериментальных часов, за каждыми из которых закреплён атом "своего" вещества (в их числе иттербий). Часы следующего поколения должны привести к новым типам датчиков для изучения подземных природных ресурсов и фундаментальных исследований Земли. Другой возможный метод применения – сверхточная навигация (например, посадка самолета по GPS).

Есть ещё один интересный момент — в самом определении понятия "секунда", принятом на Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 году, фигурирует излучение атома цезия. Поэтому формально ни одни часы не могут быть признаны более точными, чем цезиевые. К ним, в частности, относятся и NIST-F1 — часы, по которым определяют стандарт времени в США. Ошибку в одну секунду NIST-F1 накапливают за 100 миллионов лет, в 37 раз быстрее, чем Quantum Logic Clock.

Статья, подробно описывающая механизм и назначение новых часов, опубликована в Physical Review Letters, также её можно скачать здесь (PDF-документ).