Квантовые часы превзошли GPS по точности в море у Гавайев

Три компактных оптических прибора установили на военный корабль и проверили в открытом море. Точность измерений оказалась в сотни раз выше GPS, что делает такие устройства перспективной заменой спутниковой навигации.
Автор Наука Mail
Приборы для эксперимента
Мобильные системы часов: часы UofA Yb, часы UofA Rb и оптический рубидиевый атомный стандарт частоты (ORAFS) AFRLИсточник: Nature Communications

Большинство современных систем связи и навигации зависят от GPS. Они работают благодаря точным сигналам времени, которые спутники передают на приемники. Если сигнал заглушен или искажен, синхронизация между объектами нарушается, что делает невозможным точное определение координат.

Ученые из Университета Аделаиды вместе с коллегами из США и Австралии испытали на практике новые атомные часы, которые измеряют время с помощью лазеров вместо микроволн. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Устройства оказались устойчивыми к качке, резким перепадам температуры и влажности, а также к вибрациям. В течение трех недель они работали автономно, не требуя вмешательства человека.

Схема эксперимента
На схеме показана система сравнения трех оптических атомных часов, основанных на рубидии (Rb) и иттербии (Yb). Каждые из часов генерируют сверхточный сигнал, который сравнивается с другими с помощью фотодетекторов, частотных смесителей и лазеров. Центральный частотный счетчик собирает радиочастотные (RF) биения и синхронизирует данные с опорным стандартом времени. Это позволяет измерять стабильность как оптической, так и радиочастотной составляющей сигнала. Черные стрелки — выходы радиочастотных генераторов. Серые линии — микроволновые сигналы (1 ГГц). Фиолетовые стрелки — лазеры, стабилизированные на атомные переходы (778 нм и 1112 нм). Пунктирные линии — частотные биения (beatnote), возникающие при сравнении сигналов. Круг с крестом — частотный смеситель, Круг с треугольником — фотодетектор.Источник: Nature Communications

Как подчеркивает Андре Лойтен, руководитель исследования, в таких условиях единственным решением может стать переносной и устойчивый источник времени, который можно использовать автономно. Новые приборы работают на основе рубидия и иттербия и обеспечивают стабильность сигнала в сотни раз выше, чем у коммерческих стандартов. Их можно применять не только на флоте, но и в городах, под землей, в космосе: везде, где сигнал GPS нестабилен или недоступен. Ранее их уже успешно протестировали в условиях космического полета.

Гарантированное время имеет решающее значение для связи и позиционирования.
Андре Люитен
профессор

Разработка уже заинтересовала частные компании. В будущем такие часы могут стать центром новых GPS-систем, использоваться в финансовых биржах для точной фиксации операций и даже помочь в геодезии и фундаментальной физике.

Квантовые часы — это не единственный способ ориентироваться без GPS. Ранее мы рассказывали о первом успешном тесте навигации по звездам в глубоком космосе без связи с Землей: космический аппарат определил свое положение, просто анализируя звездное небо.