Точно синхронизированные часы открывают путь новой науке

Nov 03, 2023

От маятниковых часов 17-го века до новейших хронометров, основанных на атомных переходах, способность людей отмечать время значительно изменилась. Теперь исследователи пошли еще дальше и показали, что два часа можно точно синхронизировать на расстоянии в несколько сотен километров, используя значительно меньше энергии, чем требовалось ранее. Это достижение открывает путь к созданию сетей синхронизированных наземных и космических часов, которые могут облегчить геодезические исследования структуры Земли и поиск темной материи и гравитационных волн.

«Это довольно забавно, когда у тебя так много цифр».

Большинство людей, за исключением, возможно, элитных спортсменов, не задумываются о периодах времени короче секунды. Но Лора Синклер, физик из Национального института стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо, регулярно занимается совершенно другой сферой времени: фемтосекундами. Одна фемтосекунда равна миллионной миллиардной (квадриллионной) секунды, или 15 цифр после запятой. По словам Синклера, даже компьютерные программы часто не могут справиться с таким уровнем точности. «Это довольно забавно, когда у тебя так много цифр».

Синклер и ее коллеги сейчас провели эксперимент на Гавайях, используя импульсы лазерного света для точной и эффективной синхронизации двух часов до уровня аттосекунд — еще более коротких собратьев фемтосекунд.

Другая группа исследователей недавно продемонстрировала аналогичную связь на расстоянии 113 километров, но их эксперимент потребовал гораздо большего количества энергии и специализированных приборов, которые компенсировали атмосферную турбулентность.

В новом эксперименте Синклер и ее коллеги работали в обсерватории Мауна-Лоа, станции исследования атмосферы на северном склоне Мауна-Лоа на Большом острове Гавайи. Команда запустила два лазера, каждый из которых излучал световые импульсы 200 миллионов раз в секунду, в сторону небольшого телескопа, расположенного на вершине Халеакалы на острове Мауи. Модифицированная оптика телескопа отразила свет обратно на Мауна-Лоа, пройдя примерно 300-километровый путь туда и обратно, и Синклер и ее коллеги зафиксировали время прихода отдельных импульсов, которые действуют как «тиканье» очень точных часов.

Как и астрономы, работающие на близлежащей Мауна-Кеа, исследователи в основном собирали данные ночью. Но солнечный свет — это не то, чего Синклер и ее коллеги надеялись избежать; вместо этого команда стремилась уклониться от облаков. Каждое утро облака имеют тенденцию подниматься на высоту обсерватории Мауна-Лоа (примерно 3400 метров), прежде чем, наконец, опуститься обратно под обсерваторию где-то между 17:00 и 22:00. По словам Синклера, слабый лазерный луч не может сравниться с облаками. «Сто пятьдесят километров облаков достаточно, чтобы остановить ваш лазерный луч ближнего инфракрасного диапазона».

Исследователи синхронизировали мощность двух лазеров с точностью 0,32 фемтосекунды (320 аттосекунд). Это сопоставимо с точностью, достигнутой с помощью другого подхода, но лазеры, которые использовали Синклер и ее коллеги, имели мощность всего 270 фемтоватт, или 270 миллионных долей миллиардной ватта. Раньше требовались десятки нановатт мощности, поэтому новые результаты отражают примерно 10 000-кратное улучшение энергопотребления.

«Действительно впечатляет то, как мало энергии они использовали».

Эта эффективность, которая приближается к так называемому квантовому пределу, позволяет синхронизировать время с использованием меньшего оборудования, что является важным достижением для того, чтобы за один день связать наземные часы и часы, расположенные на орбите далеко над Землей.

Прогресс стал возможен благодаря инструменту, известному как программируемая по времени гребенка частот, которую разработали Синклер и ее коллеги. По словам Синклера, устройство изменяет скорость импульсов лазера. «Мы можем динамически регулировать время и фазу выходного сигнала с точностью до аттосекунды». Это, в свою очередь, позволило исследователям использовать весь полученный свет для синхронизации импульсных сигналов, а не выбрасывать большую его часть, как это делалось ранее. Когда в эксперименте тратится свет, необходимо отправить больше фотонов, что требует энергии. Синклер и ее команда сообщили о своих результатах в журнале Nature.