Китай догнал США в гонке за самыми точными часами в мире

Ученые из Китая создали уникальные оптические часы, которые являются настолько точными, что ошибка в их ходе составляет всего одну секунду за 7 миллиардов лет. Описанный в научном журнале Metrologia достижение открывает путь к пересмотру определения секунды как основной единицы измерения времени.

Исследователи из Университета науки и технологий Китая использовали сверххолодные атомы стронция и мощные лазерные лучи для создания часов с уровнем стабильности и погрешности менее пяти квинтиллионных. Таким образом, Китай стал второй страной после США, достигшей такой точности времени.

Оптические часы на основе стронция.

Физик Пан Цзяньвэй, руководитель исследовательской группы, акцентировал внимание на том, что их достижение положило начало формированию глобальной сети оптических часов. Такой подход открывает двери к новым горизонтам в научных исследованиях, включая проверку фундаментальных физических теорий, обнаружение гравитационных волн и поиск темной материи.

В настоящее время рекордсменом по точности среди оптических часов на основе стронция остаются часы Университета Колорадо в Боулдере. Они немного превосходят своего китайского конкурента, а их работа является более стабильной.

Оптические часы обладают большим потенциалом для использования в жизненно важной инфраструктуре будущего. Они могут значительно повысить точность глобальных навигационных спутниковых систем, помочь в создании высоко защищенных сетей связи на основе квантового распределения ключей, улучшить синхронизацию и эффективность электросетей, а также сыграть ключевую роль в национальной обороне и безопасности.

В настоящее время определение секунды базируется на эталоне частоты на основе цезия. Однако возможности по повышению точности таких часов ограничены. В последние годы исследователи разработали оптические часы, которые используют лазерный свет для возбуждения электронных переходов и демонстрируют характеристики на два порядка выше по сравнению с их предшественниками, работающими на микроволнах.

Тем не менее, для того чтобы в будущем заменить существующий эталон времени на оптические часы, минимум три лаборатории в мире должны обладать оптическими часами со стабильностью ниже 5 квинтиллионных и неопределенностью ниже 2 квинтиллионных. Это ключевые показатели производительности и надежности оптических часов.

В своей работе группа китайских ученых охладила атомы стронция-87 до температуры в несколько микро-Кельвин и поместила их в одномерную решетку, созданную с помощью пересекающихся лазерных лучей. Затем они применили сверхстабильный лазер для взаимодействия с захваченными атомами стронция-87 и инициации так называемого часового перехода, отличающегося высокой стабильностью и точностью.

Ученые также выполнили измерения частоты между двумя независимыми часами, которые продемонстрировали, что стабильность отдельных часов составляет порядка 2,2 квинтиллионных. Полная неопределенность системы в целом оказалась на уровне 4,4 квинтиллионных – что эквивалентно отклонению на одну секунду каждые 7,2 миллиарда лет, резюмировали авторы.

Команда планирует провести сравнения между оптическими часами, построенными на разных видах атома, таких как стронций-87 и иттербий-171. Исследование было поддержано Министерством науки и технологий и провинцией Аньхой, а также другими финансовыми агентствами, и основывается на предыдущих работах по квантовой симуляции сверххолодных атомов.