Инновация в навигации: атомные часы сократятся до микрочипа, обеспечивая сантиметровую точность GPS на смартфонах

Учёные из Университета Пердью в США и Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали новаторскую методику, позволяющую сделать оптические атомные часы более компактными и пригодными для массового использования. Данное достижение основано на внедрении микрогребёнок на чипе и может в тысячу раз повысить точность счёта времени и определения географических координат.

В настоящее время метроном времени для мобильных телефонов, компьютеров и GPS-систем задаётся с помощью более 400 атомных часов, расположенных по всему миру. Любые часы функционируют благодаря двум ключевым компонентам: осциллятору и счётчику. Осциллятор создаёт периодические частотные колебания, а счётчик фиксирует количество его циклов.

Стандартные атомные часы применяют микроволновые частоты для возбуждения энергетических изменений в атомах. В последние годы учёные начали исследовать возможность использования лазеров для оптического подъёма частот. Как линейка с множеством делений, оптические атомные часы делят секунду на ещё более мелкие фрагменты, что увеличивает точность измерений времени и координат в тысячу раз.

«Современные атомные часы позволяют GPS-системам обеспечивать точность до нескольких метров. С применением оптических атомных часов замер точности можно довести до нескольких сантиметров, что улучшит автономность транспортных средств и всех систем, связанных с геолокацией. Кроме того, оптические атомные часы способны фиксировать незначительные изменения широты и могут использоваться для мониторинга вулканической активности», — объясняет профессор Минхао Ци из Университета Пердью.

Основным элементом данной методологии являются микрогребёнки — миниатюрные устройства, интегрированные в чип, генерирующие широкий спектр равномерно распределённых частот света. Исследователям удалось решить задачу измерения высочайших частот колебаний (в районе сотен терагерц) с помощью системы из двух микрогребёнок, имеющих небольшие частотные смещения относительно друг друга.

«Мы смогли успешно решить проблему, интегрировав две микрогребёнки с близкими частотными интервалами, которые различаются на малую величину, к примеру, 20 гигагерц. Это смещение можно зафиксировать средствами электроники и использовать как тактовый сигнал», — поясняет ведущий автор исследования Кайи Ву.

В новой системе также внедрена интегральная фотоника, где используются компоненты на чипе вместо громоздкого лазерного комплекса. Это позволяет сократить габариты и массу устройства до миллиметров, открывая возможности для его массового производства.

«Наши надежды связаны с тем, что будущие успехи в области разработки материалов и производственных технологий позволят дополнительно оптимизировать эту методику, превращая ультраточное измерение времени в стандартную функцию наших смартфонов и компьютеров», — подытоживает Виктор Торрес Компани, профессор фотоники из Университета Чалмерса.

Источник: iXBT