Квантовые технологии. Модуль 2
Изучите квантовые стандарты частоты
В этом модуле вы узнаете:
- Как измеряют время и почему важна не только точность, но и стабильность;
- Как человечество измеряло время раньше;
- Какие процессы в атоме могут стать маятником для часов;
- Как именно устроены атомные часы и как они помогли создать глобальную навигационную систему.
Оглавление
Стандарты частоты
Знание квантовых законов, которым подчиняются электроны в атомах, позволило создать сверхточные атомные часы, менее подверженные отклонениям, чем часы, определяющие время по движению Земли вокруг оси.
Новые квантовые стандарты частоты дают возможность не только измерять время без привязки к движению нашей планеты, но и ориентироваться в пространстве, тем самым создав глобальную систему навигации.
В этом видео Иван Шерстов, заведующий лабораторией системных исследований проблем измерения времени и частоты Сколтеха, расскажет об актуальных вопросах квантовой метрологии.
Что такое часы и как они работают
Главный элемент любого прибора для измерения времени — осциллятор, предмет, который колеблется с определенной частотой (чем меньше она отклоняется от заданного значения, тем точнее часы). В механических часах роль осциллятора играют маятник или пружина.
Еще два элемента хронометра — делитель частоты и счетчик, механизмы, подсчитывающие и преобразующие колебания осциллятора в значения на шкале. Показания часов — это количество колебаний маятника, отображенное на циферблате.
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 стрелкáми.
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 номер 3 © стреляет 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 эти показатели выше, 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. В Античности появились солнечные часы, а вместе с ними и современные единицы измерения — часы и минуты.
Для измерения коротких интервалов —
Механическое время
В средние века появились первые механические часы, похожие на современные. Они устанавливались на стенах храмов и монастырей, минутных стрелок у них не было, а главной их задачей было не дать прихожанам пропустить начало богослужения.
Такие часы приводились в действие грузом, спускавшимся вниз под действием силы тяжести. Особенной точностью при этом они не отличались.
Первые маятниковые часы появились только в XVII веке — их изготовил 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, в роли которого выступал маятник.
Но у этих часов была масса недостатков: они должны были оставаться в покое, были громоздкими (точность зависела от длины маятника), а нагревание удлиняло маятник (температуре окружающего воздуха достаточно было повыситься на 2 градуса Цельсия, чтобы часы начали давать расхождение на 1 секунду в сутки).
Эпоха Великих географических открытий и развитие мореплавания сделали точные измерения времени жизненно необходимыми.
Если для определения широты с борта корабля в океане достаточно было измерить высоту Полярной звезды над горизонтом, то для вычисления долготы нужно было определить по солнцу местное время и сравнить его со временем пункта отправления.
Следовательно, мореплавателям был необходим прибор для хранения времени, очень точный и компактный, пригодный для размещения на корабле, каких в те времена еще не делали.
Астрономические методы (например, предложенный Галилеем способ, основанный на измерении положения спутников Юпитера) требовали сложных наблюдений и инструментов, не всегда были возможны из-за погодных условий и были недостаточно точны.
Ошибки в навигации наносили немалый ущерб — приводили к гибели судов и людей при кораблекрушениях. В 1714 году британский парламент принял «Акт о долготе», установивший награду в 10 тысяч фунтов (около 1,4 миллиона фунтов на сегодняшние деньги) за способ определения долготы с точностью до градуса (примерно 110 километров на экваторе).
Позже было принято еще несколько актов, учреждавших крупные премии за все более возраставшую точность методов.
Решение задачи было найдено часовщиками, создавшими первые морские хронометры, способные «убегать» 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, «уходивший» 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, при подаче напряжения начинавшего колебаться со строго определенной 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 — они убегали или отставали не более чем на 1 секунду за 10 миллионов секунд, тогда как кварцевых на тот момент давали погрешность не более 2 к 100 миллионам секунд. Тем не менее их появление показало, что такие приборы можно создавать и использовать на практике.
Днем рождения современных атомных часов, ставших эталоном времени, принято считать 13 августа 1955 года. Британские ученые Луис Эссен и Джек Перри из Национальной физической лаборатории опубликовали в журнале Nature статью с описанием цезиевого стандарта частоты, чья точность составляла 1 секунду 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 тропического года для января 1900 года.
Но примерно через 11 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 учетом гравитационного замедления времени) действует до сих пор.
К концу XX века относительная погрешность цезиевых часов опустилась до уровня 2,2 × 10-14. На сегодняшний день микроволновые стандарты частоты фонтанного типа демонстрируют точность на уровне (1-5) × 10-16.
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, используемого 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, как вы узнали из первого модуля, установили, что электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра, могут находиться только на строго определенных орбитах — энергетических уровнях.
Каждый переход электрона с орбиты на орбиту сопровождается испусканием или поглощением кванта электромагнитного излучения — фотона. Причем каждому конкретному переходу соответствует фотон строго определенной энергии, которая, в свою очередь, жестко связана формулой Планка (E=hν) с длиной волны (и частотой) излучения.
Лучший на данный момент способ измерения времени опирается именно на частоту фотонов строго определенной 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 все же вполне обычный кварцевый осциллятор. Атомный компонент нужен, чтобы поправлять отклонения. С кварцевым осциллятором синхронизирован источник электромагнитных волн, длина волны которого с высокой точностью соответствует сверхтонкому энергетическому переходу в атоме цезия.
В установку направлен поток этих атомов, и на входе в нее они «сортируются» на возбужденные и невозбужденные 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 вернется 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.
Принципиальная схема атомных часов
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 терагерц. Поэтому ее требуется понижать в радиочастотный диапазон, используемый в современной электронике.
Это делается с помощью специального устройства — оптической гребенки. 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
Главная область применения 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 заключается в том, что каждый из спутников непрерывно передает сигнал, содержащий информацию о нем и значение его временной шкалы.
Принимая этот сигнал на Земле, пользователь может определить время, потребовавшееся сигналу, чтобы добраться до приемника, и вычислить дистанцию до спутника. Если принять одновременно сигнал от четырех спутников, не находящихся на одной линии, можно вычислить все три пространственные координаты точки, в которой находится наблюдатель.
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 составляет 1 метр. Это связано с тем, что в них используются квантовые стандарты частоты микроволнового диапазона, имеющие точность 10-13 — 10-14.
Значительное повышение точности глобальных навигационных систем 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 (высокоточное) сельское хозяйство, когда автоматы смогут обеспечить индивидуальный подход для каждого растения и животного. Также это поможет развивать технологии умных домов и городов.
Ожидается, что рынок устройств и приложений, требующих точности на уровне 1–10 сантиметров, уже к 2025 году достигнет более 190 миллиардов евро.
При достижении точности часов выше 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, измеряющих гравитационное поле объектов. В соответствии с теорией относительности гравитационные поля могут влиять на скорость течения времени, поэтому сверхточные часы могут фиксировать гравитационные аномалии.
Узнайте, насколько хорошо вы усвоили материалы модуля.