Ранее мы уже обсуждали разнообразные стандарты — например, переход на IPv6 и взгляды отрасли на Media over QUIC. Сегодня рассмотрим стандарт времени и приборы, которые его фиксируют — атомные часы, а также усилия учёных по повышению их точности.
Основы атомного хронометрирования
Атомные часы лежат в основе всемирного координированного времени (UTC), которое синхронизирует финансовые расчёты, глобальную навигацию (включая GPS), авиацию, телекоммуникации и интернет-инфраструктуру. Сигналы сотен атомных хронометров из более чем 80 лабораторий собирает и анализирует Международное бюро мер и весов во Франции, вычисляя средневзвешенное значение — официальный стандарт UTC.
Классические атомные часы опираются на цезий-133. При переходах между двумя энергетическими уровнями этот атом поглощает и излучает микроволновые колебания с абсолютно постоянной частотой. Электронная схема постоянно корректирует частоту генератора, поддерживая резонансную частоту атома, что позволяет фиксировать равномерные «тиканья» порядка 10 млрд циклов в секунду. Однако точность таких приборов ограничена самой микроволновой частотой.
Оптические атомные часы используют другие элементы, например, иттербий, переходы которых происходят на оптических частотах. Атомы удерживаются в «оптической решётке» — пересекающихся лазерных лучах, после чего высокоточный лазер настраивают на резонанс между уровнями. Такие часы способны «тикать» до 429 трлн раз в секунду, что значительно превосходит микроволновые стандарты.
Проблема оптических хронометров в их чувствительности: доплеровские сдвиги, механические колебания, температурные флуктуации и высокая стоимость лазеров усложняют их применение. Тем не менее учёные по всему миру работают над стабильными и компактными решениями.
Ведущие проекты и разработки
В октябре 2025 года исследователи из MIT предложили метод «глобальной фазовой спектроскопии», который снижает квантовые флуктуации и удваивает точность оптических часов на основе иттербия, что открывает путь к более компактным и экономичным установкам.
В конце ноября группа из Университета Торонто представила систему охлаждения атомов стронция до почти −5 K, что заметно снижает шум и обеспечивает точность, в сто раз превышающую классический цезиевый стандарт.
В январе этого года Физико-технический институт Германии (PTB) выпустил ионные часы, в которых несколько ионов образуют кристаллическую структуру-«хронометр». Это сократило время измерений с нескольких дней до нескольких часов и повысило точность в тысячу раз по сравнению с цезиевыми аналогами.
Учёные также апробируют объединение оптических часов в единую сеть. В рамках 45-дневного международного эксперимента (Финляндия, Франция, Германия, Италия, Великобритания, Япония) сравнивали частоты хронометров через спутниковую и оптоволоконную связи. Оказалось, что погрешности в спутниковых каналах в сто раз выше, чем в волоконно-оптических, что подчёркивает необходимость развития наземной инфраструктуры.
В морских системах навигации, где даже метры отклонения критичны, калифорнийский стартап Vector Atomic испытал портативные часы на основе йодных молекулярных колебаний. Устройство размером с три обувные коробки и весом 26 кг демонстрирует точность в тысячи раз выше стандартных бортовых хронометров.
Летом 2025 года совместная группа учёных из Австралии и США провела трёхнедельные морские испытания переносных оптических часов на основе иттербия и рубидия. В ходе «полевых» тестов выявлены недостатки: при движении судна частота становилась менее стабильной, что потребует дальнейшей доработки.
К переопределению секунды
Сегодня оптические часы опережают цезиевые по точности, но именно цезий задаёт официальное определение секунды. Консультативный комитет по времени и частоте (CCTF) утвердил дорожную карту, согласно которой секунда будет переосмыслена на основе оптических стандартов в ближайшие пять лет. Новое определение затронет телекоммуникации, энергетику, финансовые рынки, облачные сервисы, транспорт, космическую отрасль, а также ускорит исследования тёмной материи и гравитационных волн.
Перспективным направлением стали ядерные часы, использующие переходы тория-229 внутри ядра, что существенно снижает влияние внешних электромагнитных полей. Российские учёные из ВНИИФТРИ работают над прототипом ядерных часов и планируют представить его к 2032 году, что может вывести точность хронометрирования на новый уровень.
