Сбои GPS, кибератаки и проблемы синхронизации. Зачем миру понадобились карманные атомные часы с точностью 10⁻¹⁵

Если точное время когда-нибудь перестанет быть «где-то в датацентрах и гослабораториях» и станет вещью, которую можно принести в руках, это будет выглядеть примерно так. Исследователи из британской National Physical Laboratory (NPL) сделали миниатюрные «атомные часы-фонтан», которые по точности не уступают полноразмерным установкам, но занимают лишь около 5 процентов их объема.

Ключевая проблема атомных «фонтанов» всегда была в габаритах. Чтобы получить максимальную стабильность, атомы нужно охладить лазерами, а затем «подбросить» вверх через микроволновую полость так, чтобы они дважды прошли через нее, на подъеме и на спуске. Чем дольше атомы взаимодействуют с микроволнами, тем точнее можно «пришить» частоту генератора к атомному переходу. За эту точность приходится платить: типичная установка требует примерно двухметровой высоты и громоздкого вакуума, оптики и микроволновой части.

В NPL пошли по пути радикального упрощения конструкции и смогли уменьшить вакуумную систему примерно в 20 раз. Итоговая установка получилась достаточно легкой, чтобы ее можно было переносить одной рукой. При этом исследователи подчеркивают важную деталь: несмотря на компактность, атомы проводят в микроволновой области столько же времени, сколько и в больших «фонтанах». Именно поэтому точность остается на уровне порядка одной части на 10¹⁵.

Вместо традиционного цезия команда использовала рубидий и собрала фонтан высотой около 80 сантиметров, сохранив при этом атомное «падение» примерно 30 сантиметров. Сам подход к миниатюризации оказался не только про уменьшение размеров, но и про вычеркивание лишних узлов. Например, отдельную камеру для измерения квантовых состояний атомов убрали, измерения проводят прямо в камере охлаждения. Отдельную микроволновую полость для выбора состояния тоже исключили: подготовка атомов к «часовому» переходу теперь делается с помощью адаптера, который направляет микроволновое поле в ту же камеру охлаждения.

Цена за компактность есть: пришлось пересмотреть требования к магнитной защите и аккуратнее учитывать краевые эффекты поля. Зато оптика стала заметно проще, а использование коммерческих компонентов, по словам разработчиков, делает устройство более удобным в эксплуатации и менее требовательным к обслуживанию. Руководитель работы доктор Сэм Уолби объясняет смысл проекта прямо: идея в том, чтобы сверхточное время перестало быть эксклюзивом национальных лабораторий и стало доступным для более широких задач, от устойчивой инфраструктуры до навигации нового поколения.

У NPL есть и практическая цель: мини-фонтан задуман как «страхующий» источник времени, который способен удерживать ошибку синхронизации меньше двух наносекунд в месяц. Его также рассматривают как вторичный частотный эталон для реализации секунды в системе SI. На фоне растущих рисков для глобальных систем позиционирования, навигации и синхронизации, включая сбои GNSS и кибератаки, такие автономные и стабильные источники времени становятся не просто научной демонстрацией, а инфраструктурной необходимостью.

Работа команды опубликована в журнале Applied Physics Letters.