Холодные атомные часы доказали свою долгосрочную работоспособность в космосе
Китайские ученые впервые запустили холодные атомные часы на околоземную орбиту. Относительная погрешность измерения времени такими часами составила примерно 10−13 (одна секунда за 160 тысяч лет), после 15 месяцев полета характеристики часов остались на прежнем уровне. Статья опубликована в Nature Communications.
В наши дни для точного измерения времени в основном используют атомные часы, основанные на переходах между энергетическими уровнями атомов. Такие часы установлены на базовых станциях мобильной связи и в сервисах точного времени; без атомных часов была бы невозможна работа навигационных систем (GPS и ГЛОНАСС), в которых расстояние до точки определяется по времени приема сигнала от спутников. Подробнее про работу таких навигационных систем можно послушать в рассказе физика-теоретика Эмиля Ахмедова. Кроме того, современное определение секунды тоже полагается на атомные часы: в международной системе единиц СИ секунда — это промежуток времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, отвечающих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 (133Cs).
Тем не менее, стандартные атомные часы, работающие с «горячими» атомами, далеко не самые точные. Например, национальные стандарты времени (цезиевые часы) уходят примерно на одну миллиардную секунды в день, то есть относительная погрешность измерения частоты перехода атома составляет в них примерно 10−14. С другой стороны, погрешность «холодных атомных часов», а если точнее, часов с холодными атомами (cold atomic clock, CAC), составляет менее 10−18. Помещенные в такие часы атомы охлаждают с помощью лазеров до температуры порядка нескольких сотен нанокельвинов, а затем считывают частоту колебаний атомов, накладывая на них осциллирующее магнитное поле и измеряя заселенности энергетических уровней (этот метод называется интерферометрией Рамзи, Ramsey interferometry). К сожалению, до сих пор не известно, как такие часы будут вести себя в космосе. Чтобы провести такую проверку, нужно существенно снизить потребление энергии, объем и массу часов, уложиться в стандарты совместимости по производимым электромагнитным полям, тепловому излучению и механической нагрузке для космических миссий, а также защитить часы от колебаний магнитного поля Земли и воздействия космических лучей.
Группа ученых под руководством Лиан Лю (Liang Liu) впервые провела такую проверку. Для этого они изготовили холодные атомные часы, связывая в оптической ловушке около 50 миллионов атомов рубидия-87 и измеряя с помощью интерферометрии Рамзи частоту перехода между уровнями со значениями орбитального квантового числа L = 1 и L = 2. Чтобы снизить влияние внешних эффектов, физики откачали установку до давления порядка 10−12 атмосфер, экранировали ее тремя слоями мю-металла и изменяли с помощью сервомотров конфигурацию слоев таким образом, чтобы колебания внешнего магнитного поля не превышали пяти нанотесла. Если бы такое экранирование не выполнялось, часы быстро бы вышли из строя — магнитное поле на орбите Земли достигает 80 микротесла, то есть должно приводить к расщеплению энергетических уровней и изменению частоты перехода в результате эффекта Зеемана. Убедившись, что часы удовлетворяют всем требованиям для космических аппаратов, ученые установили их на спутник Тяньгун-2 и запустили на околоземную орбиту 15 сентября 2016 года (ускорение свободного падения порядка 10−4g).
В течение следующих 15 месяцев часы проработали практически непрерывно. Точность часов (относительная погрешность) находилась на уровне 10−13, что сравнимо с точность часов спутников GPS. К сожалению, измерить ее непосредственно на орбите было невозможно, поэтому ученые приводят данные только наземных измерений с водородным мазером. Тем не менее, другие наблюдаемые характеристики часов, например, ширина резонанса, не изменились, что указывает на стабильность их работы. Таким образом, ученые показали, что холодные атомные часы можно использовать для измерения времени в космосе. Возможно, в будущем такие часы помогут увеличить точность измерений в различных космических экспериментах (например, проектируемых детекторах гравитационных волн) и разработать следующее поколение навигационных систем, подобных GPS и ГЛОНАСС.
Раньше ученые уже проверяли, как холодные атомные часы работают в невесомости — например, сбрасывали их с высокой башни, отправляли в свободное падение на самолете (parabolic flight) и даже запускали в верхние слои атмосферы на метеорологической ракете. Тем не менее, во всех этих опытах продолжительность пребывания в невесомости составляла всего несколько минут (а то и секунд), и проверить долговременные эффекты, связанные с низкой гравитацией, было невозможно. Работа китайских ученых — это результат первой подобной проверки.
В ноябре прошлого года ученые из Национального института стандартов и технологий США (NIST) построили самые точные в мире атомные часы, погрешность которых не превышает 10−18, то есть менее одной секунды на 30 миллиардов лет. Эти часы состояли из примерно трех тысяч атомов стронция, которые были охлаждены до температуры порядка десяти нанокельвинов и собраны с помощью лазера в трехмерную решетку. В марте этого года та же группа исследователей сообщила о еще большем увеличении точности — используя аналогичную технологию, им удалось снизить погрешность до уровня 2,5×10−19. Такая высокая точность позволяет использовать эти часы, например, для детектирования гравитационных волн.
Проверить, насколько точно вы сможете оценить длительность различных процессов в секундах, можно в нашем тесте.
Дмитрий Трунин
Он показал лучшее время на трассе, обойдя соперников на полсекунды
Инженеры разработали автопилот для гоночного дрона, управляющий беспилотником на уровне лучших людей-пилотов. Алгоритм под названием Swift, полученный с помощью метода обучения с подкреплением, способен управлять гоночным квадрокоптером, полагаясь только на данные бортовых сенсоров. В реальных полетах на тестовой трассе для дрон-рейсинга Swift смог превзойти трех профессиональных пилотов-чемпионов, выиграв у них 15 гонок из 25 и пройдя трассу с минимальным временем, которое на полсекунды меньше лучшего результата пилота-человека. Статья опубликована в журнале Nature. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Дрон-рейсинг — вид спорта, в котором мультикоптеры на высокой скорости проходят трассу, состоящую из последовательности ворот, через которые нужно пролететь за минимально возможное время. При этом управление происходит от первого лица, с помощью камеры и видеоочков. Современные дроны обладают очень высокой маневренностью и подвижностью: они могут резко менять направление движения, ускоряться, замедляться и совершать перевороты, а во время гонки они разгоняются до скоростей свыше 100 километров в час и подвержены перегрузкам, превышающим их собственный вес в пять раз. Это делает их пилотирование непростой задачей и требует хорошей подготовки и высокой скорости реакции оператора. Инженеры давно работают над созданием автопилота, который мог бы управлять дроном на уровне профессиональных пилотов. Помимо участия в дрон-рейсинге такая способность может пригодиться и в обычной жизни — мультикоптеры обладают невысокой энергоэффективностью, поэтому способность быстро летать и успешно маневрировать в окружении большого числа препятствий напрямую связана с успешностью выполнения задач. Инженеры под руководством Давида Скарамузза (Davide Scaramuzza) из Цюрихского университета уже имеют опыт разработки эффективных алгоритмов управления для дронов. К примеру, ранее они создали автопилот, способный управлять квадрокоптером на скорости от 3 до 7 метров в секунду в лесу между деревьев, полагаясь только на данные с бортовых сенсоров. В своей новой работе инженеры представили алгоритм под названием Swift. Он способен эффективно управлять гоночным квадрокоптером на уровне профессионального пилота дрон-рейсинга. Swift состоит из двух основных модулей: системы восприятия, которая переводит изображение от бортовой камеры дрона и данные от инерционного измерительного блока IMU в низкоразмерное представление, а также системы управления, которая принимает на вход низкоразмерное представление, созданное системой восприятия, и генерирует управляющие команды для электромоторов дрона. В модуль системы восприятия также входит алгоритм, вычисляющий текущее положение дрона в пространстве на основе данных камеры и инерционно-измерительного блока. Эта информация через фильтр Калмана объединяется с данными об относительном положении гоночных ворот, обнаруженных предварительно обученным нейросетевым детектором объектов в видеопотоке, после чего передается на вход системы управления, которая состоит из двух скрытых слоев, по 128 нейронов в каждом. Система управления тренировалась в симуляции с использованием модельно-свободного глубокого обучения с подкреплением. Этот метод обучения использует метод проб и ошибок, чтобы максимизировать величину параметра вознаграждения. В данном случае вознаграждение было максимальным в случае, если дрон следовал в сторону центра ближайших ворот таким образом, чтобы следующие ворота оставались в поле зрения камеры. Чтобы учесть различия между симуляцией и реальной динамикой полета, в процессе обучения информацию симулятора дополнили данными из реального мира, записанными с помощью системы захвата движений. Оценку автопилота провели на трассе для дрон-рейсинга, состоящей из семи ворот, установленных на квадратной площадке с длиной стороны 30 метров. Длина маршрута через все ворота составляла 75 метров. Алгоритм соревновался с тремя профессиональными пилотами Алексом Вановером (Alex Vanover), Томасом Битматтой (Thomas Bitmatta) и Марвином Шэппером (Marvin Schaepper). Все участники использовали гоночные дроны с одинаковыми характеристиками. Перед испытательными соревнованиями у пилотов была неделя для знакомства с трассой. В соревнованиях каждый из пилотов стартовал одновременно с дроном под управлением автопилота. Победителем становился тот, кто быстрее пролетит через все ворота на трассе в правильном порядке три раза. По результатам Swift смог выиграть у своих соперников в совокупности 15 гонок из 25, а также установил рекорд трассы, пролетев ее быстрее на полсекунды, чем остальные участники. https://www.youtube.com/watch?v=fBiataDpGIo&t=1s Инженеры разрабатывают гоночные автопилоты и для автомобилей. Например, инженеры из подразделения искусственного интеллекта компании Sony создали алгоритм автопилота GT Sophy, который с помощью обучения с подкреплением научился проходить за минимальное время трассы в гоночном автосимуляторе Gran Turismo Sport. В настоящих киберспортивных соревнованиях GT Sophy не только показала лучшее время в одиночных заездах, но и смогла победить команду лучших игроков в совместных гонках, набрав больше всего очков.