Это материал изгида Квантовыетехнологии. Партнер гидаАкадемия
Росатома.Что это?Схема классических квантовых часов устройства,
отсчитывающего время с очень высокой точностью.В любых часах время
отмеряется с помощью повторяемого события. Как правило, если
происходит определенное количество колебаний,часовой механизм
поворачивает стрелку, тем самым фиксируя, что прошло определенное
время, как правило секунда.Эталоном точности отсчета времени стало
количество энергетических переходов, совершаемое электронами атома
при воздействии на них излучения. В квантовых часах чаще всего
используется цезий-133. У него всего лишь 1 электрон на внешней
оболочке, из-за чего легко с точностью зафиксировать его количество
энергетических переходов и частоту излучения. Благодаря этому
сегодня секунда в системе СИ определяется как время, равное 9 192
631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя
сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.1В основе
наиболее распространенных моделей квантовых часов по-прежнему лежит
осциллятор, зачастую кварцевый, совершающий колебания с
определенной частотой. Он подключен к микроволновому резонатору,
который генерирует излучение с достаточной для обильного
возбуждения атомов цезия-133 частотой. Эта частота равняется 9 192
631770 Гц, что как раз соответствует эталону секунды. После
совершения колебаний часы отсчитывают секунду. Энергетические
переходы атомов в этой системе нужны для поддержания частоты
осциллятора.Корректировка осуществляется следующим образом. Атомы
цезия нагреваются в печи и проходят через магнитный фильтр, который
отсеивает частицы с низкой энергией. Магнит также настроен на
поимку атомов в двух состояниях: с параллельными спинами ядра и
электронов и с антипараллельными. Дело в том, что именно частотой
переходов из антипараллельного в параллельное состояние отмеряется
секунда, поэтому в часах они должны быть способны совершить этот
переход. После просеивания магнитом атомы цезияоказываются в
микроволновом резонаторе, где попадают под микроволновое излучение.
Часть из них под его воздействием переходят в возбужденное
состояние с параллельными спинами. Поток частиц покидает резонатор
и проходит через второй магнитный фильтр, который отбирает уже
атомы с высокой энергией и направляет их в детектор. Если
количество возбужденных частиц в детекторе достигает определенной
отметки, то часы идут точно. Если же атомов цезия в детекторе
становится мало осциллятор сбился, а вместе с ним и микроволновый
резонатор стал выдавать излучение меньшей частоты, в результате
слишком мало атомов цезия переходят в возбужденное состояние. Если
это происходит, то на осциллятор поступает корректирующий сигнал,
который приводит частоту в соответствие с эталоном.Чем это
интересно для науки?Ученые постоянно стремятся повысить точность
своих измерений, и пока ее предел еще не достигнут. Описанный
механизм долгое время оставался эталонным, однако на смену ему
постепенно приходят более совершенные. Наиболее передовая
разработка это часы с оптическими стандартами частоты. Они основаны
на взаимодействии лазерного излучения с отдельными атомами или
ионами алюминия, стронция или ртути, захваченными в
магнитооптические ловушки. Теоретическая точность таких систем
может достигать погрешности в 1 секунду за 33 миллиарда лет, что
даже превышает предполагаемый возраст Вселенной.1Почему это важно
знать?Одна из главных областей применения квантовых часов это
работа на системах спутниковой навигации (GPS и ГЛОНАСС). Они
определяют расстояние именно по времени, за которое сигнал проходит
от точки на Земле до спутника и обратно, и для решенияэтой задачи
они должны полагаться на очень точные измерители времени. С этой же
целью квантовые часы применяются в астрономии. Расстояния до
далеких космических объектов можно определить только по времени
возвращения сигнала от них, и каждая секунда погрешности может
здесь означать сотни тысяч километров.
