Квантовые технологии

Тема 1: Квантовый мир и его законы

Урок 3: Время и квантовые стандарты частоты

  • Видео
  • Тренажер
  • Теория
Заметили ошибку?

В этом уроке вы узнаете:

  • как измеряют время и почему важна не только точность, но и стабильность;

  • какие способы человечество использовало для измерения времени;

  • какие процессы в атоме могут служить маятником для часов;как именно устроены атомные часы и как они помогли создать глобальную навигационную систему.

Что такое часы и как они работают


Главный элемент любого прибора для измерения времени — осциллятор, предмет, который колеблется с определенной частотой (и чем меньше она отклоняется от заданного значения, тем точнее часы). В механических часах роль осциллятора играют маятник или пружина. Ещё два элемента хронометра — делитель частоты и счётчик, механизмы, подсчитывающие и преобразующие колебания осциллятора в значение на шкале. Показания часов — это количество колебаний маятника, отображаемое на циферблате.

На рисунке изображен: маятник (слева), делитель частоты (посередине), счетчик (справа)

Главные характеристики любого прибора для измерения времени или стандарта частоты — точность и стабильность. Чтобы лучше понять смысл этих понятий, представьте себе, что вы наблюдаете за четырьмя стрелками.

Первый стрелок (а) стреляет точно (попадает в центр мишени) и стабильно (разброс между выстрелами мал). Этому соответствует график частоты, где она почти не отклоняется от заданной. Второй стрелок (b) стреляет точно (все попадания сосредоточены вокруг центра), но нестабильно (разброс высок). Стрелок (c) — неточно, но стабильно (частота меняется мало, но сдвинута от заданного положения). Наконец, четвертый стрелок (d) стреляет и неточно, и нестабильно (частота сильно колеблется и сильно отклонена от заданной).

Точность и стабильность — два главных параметра, с помощью которых оценивают приборы для измерения времени. Чем они лучше — тем качественнее часы. 

История измерения времени

Небесное время

Для измерения времени люди всегда использовали наблюдения за астрономическими циклами: движением солнца в течение дня, фазами луны. Во времена античности появились солнечные часы, именно тогда появились современные единицы измерения — часы и минуты. Для измерения коротких интервалов — 5-10-30 минут — годились песочные, водяные или «огненные» часы, где промежутки времени отмеряли по шкале, нанесенной на свече.

Механическое время

В Средние века появились первые механические часы, похожие на современные. Они устанавливались на башнях храмов и монастырей, минутных стрелок у них не было, а главной их задачей было не дать прихожанам пропустить момент начала богослужения. Такие часы приводились в действие грузом, который спускался вниз под действием силы тяжести, и точностью они не отличались.

Первые маятниковые часы появились только в XVII веке — их сделал в 1657 году голландский часовщик Соломон Костер по схеме, придуманной Христианом Гюйгенсом. Это был первый прибор для измерения времени с осциллятором — генератором колебаний постоянной частоты, которым был маятник. Но у них была масса недостатков: часы должны были оставаться в покое, они были громоздкими (точность зависела от длины маятника), а повышение температуры удлиняло маятник (достаточно было повышения температуры на 2 градуса, чтобы часы начали уходить на 1 секунду в сутки). 

Эпоха Великих географических открытий и развитие мореплавания сделали точные измерения времени жизненно необходимыми. Если для определения широты достаточно измерить высоту Полярной звезды над горизонтом, то для вычисления долготы нужно определить по солнцу местное время и сравнить его со временем пункта отправления. Следовательно, необходим прибор для хранения времени, очень точный и компактный, пригодный для размещения на корабле, а таких в те времена не существовало. Астрономические методы (например, предложенный Галилеем способ, основанный на измерении положения спутников Юпитера) требовали сложных наблюдений и инструментов, не всегда были возможны из-за погоды, были не достаточно точны.

Ошибки в навигации наносили немалый ущерб — приводили к гибели судов и людей при кораблекрушениях. В 1714 году британский парламент принял «Акт о долготе», которым объявил награду в 10 тысяч фунтов (примерно 1,4 миллиона фунтов сегодня) за способ определения долготы с точностью до градуса (примерно 110 километров на экваторе).

Позже было принято несколько подобных актов, которые учреждали большие награды по мере увеличения точности метода. Решение задачи было найдено часовщиками, создавшими первые морские хронометры, которые «убегали» не более чем на 3 секунды в сутки. Их ход зависел не от маятникового механизма — громоздкого и чувствительного к температуре и качке, а от колебаний подпружиненного колеса. В 1761 году английский часовщик Джон Харрисон создал хронометр, который уходил не более чем на 0,2 секунды в день. Все современные механические часы основаны на этом же принципе, в 1920-е годы их точность удалось довести до нескольких секунд в год (часы Уильяма Шорта в 1921 году).

Кварцевое время

В 1880 году Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект — способность кристаллов кварца генерировать электрический заряд в ответ на механическое воздействие, и наоборот — менять форму под действием электрического тока. Уже в 1920-е годы были созданы кварцевые часы, основанные на этом эффекте. Кристалл кварца в них служил в качестве резонатора, который при подаче напряжения начинал колебаться со строго определённой частотой, что и обеспечивало исключительную точность. С помощью кварцевых часов в 1932 году была впервые обнаружена неравномерность вращения Земли.

Квантовое время

Первые атомные часы появились уже после войны, в 1949 году, когда специалисты Национального бюро стандартов США создали устройство, где стандартом частоты служила линия поглощения аммиака на частоте 23870,1 мегагерца. Эти часы уступали по точности кварцевым (отклонение составляло не более чем 1 к 10 миллионам), но их появление показало, что такие приборы можно создавать и использовать на практике.

Днём рождения атомных часов можно считать 13 августа 1955 года, когда британские ученые Луис Эссен (Louis Essen) и Джек Перри (Jack Parry) из Национальной физической лаборатории опубликовали в журнале Nature статью с описанием цезиевого стандарта частоты, точность которого составляла 1 на 1 миллиард. Тогда же коллеги изобретателей выступили с идеей поменять само определение секунды и привязать его именно к частоте переходов атома цезия. 

С 1940-х годов секунда определялась как 1/86400 средних солнечных суток. В 1956 году Международное бюро мер и весов поменяло определение секунды, привязав его к длине года. С того момента этот интервал времени определялся как 1/31 556 925,9747 доля тропического года для января 1900 года.

Но чуть более чем через 10 лет, в 1967 году, система измерения времени была полностью «отвязана» от астрономических циклов. Международное бюро мер и весов определило секунду как «время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133». Это определение с некоторыми поправками (связанными, например, с учётом гравитационного замедления времени) действует до сих пор.

Первые атомные часы (photocredit collection.sciencemuseum.org.uk)

К концу XX века относительная погрешность цезиевых часов опустилась до уровня 2.210-14. На сегодняшний день микроволновые стандарты частоты фонтанного типа демонстрируют точность на уровне 1-510-16. Дальнейшее повышение точности требует значительного увеличения времени наблюдения за стандартом (оно уже сейчас измеряется десятками дней). Поэтому на следующем этапе развития стандартов частоты необходимо перевести частоту излучения, которое используется в атомных часах, из микроволнового в оптический диапазон, то есть заменить микроволновые излучатели на лазеры.

Как измеряют время с помощью атомов

В начале XX века физики установили, что электроны, вращающиеся вокруг ядра атома, могут находиться только на строго определённых орбитах — энергетических уровнях. Каждый переход электрона с орбиты на орбиту сопровождается испусканием или поглощением кванта электромагнитного излучения — фотона. Причём каждому конкретному переходу соответствует фотон строго определённой энергии, которая в свою очередь жёстко связана с длиной волны (и частотой) излучения формулой Планка: E=hν.

Лучший на данный момент способ измерения времени опирается именно на частоту фотонов строго определённой энергии.

В современных стандартах частоты и для «производства» эталона секунды используются атомы цезия-133. Этот изотоп отличается тем, что на «внешней» орбите у него есть одиночный электрон, энергетический уровень которого из-за взаимодействия магнитных моментов ядра атома и самого электрона испытывает сверхтонкое расщепление, что позволяет получить очень высокую точность измерения частоты.


 

Как устроены атомные часы

Основа атомных часов — очень точный, но всё же вполне обычный кварцевый осциллятор. Атомный компонент нужен для того, чтобы поправлять отклонения. С кварцевым осциллятором синхронизирован источник электромагнитных волн, длина волны которых с высокой точностью соответствует сверхтонкому энергетическому переходу в атоме цезия. В установку направлен поток этих атомов, и на входе в неё они «сортируются» на возбуждённые и невозбуждённые с помощью магнитного поля. Дело в том, что атомы цезия в разном энергетическом состоянии по-разному реагируют на магнитное поле, что и позволяет проводить эту сортировку.

На поток атомов с низкой энергией воздействует излучение, синхронизированное с кварцевым осциллятором. Атомы переходят на уровень с более высокой энергией, снова отклоняются магнитами и попадают в детектор. Если кварцевый осциллятор чуть-чуть отклонится от верной частоты, изменится и частота излучения. Излучение не сможет менять состояние атомов, и они уже не будут попадать в детектор. В этом случае на кварцевый осциллятор поступит корректирующий сигнал, его частота вернётся к правильной, излучение вновь будет приводить атомы цезия в верное состояние, и они опять будут попадать в детектор. Такая система с обратной связью позволяет очень точно удерживать нужную частоту.

Переход атомов с одного энергетического уровня на другой называют репером частоты. В современных стандартах частоты для этого перехода используется лазерное излучение, частота которого очень велика — сотни терагерц ≈ 1014 Гц. Поэтому её требуется понижать в радиочастотный диапазон, который используется в современной электронике, с помощью специального устройства — оптической гребёнки. Оптические стандарты частоты (часы) в данный момент в мире являются абсолютными чемпионами в области демонстрируемой стабильности и точности — их значения измеряются в диапазоне 10-17-10-18 и лучше.


Атомные часы и навигация

Как работает спутниковая навигация

Главное применение квантовых стандартов частоты, как и точных хронометров два столетия назад, — навигация. Глобальные навигационные спутниковые системы — американская GPS, российская ГЛОНАСС и другие — не смогли бы работать без сверхточных измерений времени. Квантовые стандарты частоты расположены как в наземных станциях систем навигации, так и на самих спутниках. Принцип работы системы состоит в том, что каждый из спутников непрерывно передаёт сигнал, в котором содержится значение временной шкалы передающего спутника, и информацию о спутнике.

Принимая такой сигнал на земле, пользователь может определить время, которое потребовалось сигналу, чтобы добраться до приёмника, и вычислить дистанцию до спутника. Если принять одновременно сигнал от четырёх спутников, не находящихся на одной линии, можно вычислить все три пространственные координаты точки, в которой находится наблюдатель. Важно отметить, что в данный момент точность геопозиционирования напрямую зависит от используемых на борту спутников и в наземных синхронизирующих станциях квантовых стандартов частоты.

Как повысить точность спутниковой навигации?

Точность существующих глобальных навигационных систем находится на уровне 1 метр, что связано с тем, что в них используются квантовые стандарты частоты микроволнового диапазона, имеющие точность 10-13-10-14. Радикальное повышение точности глобальных навигационных систем на порядки в данный момент возможно только при переводе их ключевых элементов — наземных и бортовых стандартов частоты — из микроволнового в оптический диапазон.

Повышение точности геопозиционирования до уровня 1–10 сантиметров потребует повышения точности часов до уровня относительной погрешности 10-16. Но такая точность позволит совершить качественный скачок во многих областях.

Например, станет возможным прецизионное сельское хозяйство, когда автоматы смогут обеспечить индивидуальный подход для каждого растения и животного. Это позволит развивать технологии умных домов и умного города.

Ожидается, что рынок устройств и приложений, для которых необходима точность на уровне 1–10 сантиметров, уже к 2025 году достигнет более 190 млрд евро [4]. 

При достижении точности часов лучше 10-18 открывается новая возможность — гравитационная навигация. Принцип действия «обычной» навигации основывается на использовании электромагнитного излучения: мы видим объекты вокруг нас в оптическом или радиодиапазоне и определяем местоположение относительно них.

Вместо этого можно использовать квантовые стандарты частоты в качестве приборов, непосредственно измеряющих гравитационное поле объектов. В соответствии с теорией относительности гравитационные поля могут влиять на скорость течения времени, поэтому сверхточные часы могут фиксировать гравитационные аномалии.