Программа DARPA ROCkN создаст портативные оптические атомные часы

Наш мир работает точно, но мы часто не осознаем, насколько. В золотой век железных дорог компании гордились поездами, прибывающими с точностью до минуты по расписанию. Сегодня считается, что часы отлично показывают время, если они точны до секунды, но для современных инженеров и ученых это такой же приемлемый уровень точности, как операция на головном мозге с помощью кувалды.

Современные системы, такие как Интернет, GPS и другие, требуют учета времени с уровнем точности, который измеряется не в секундах или миллисекундах, а в наносекундах. Например, в общих инженерных приложениях это необходимо для правильной синхронизации цифровых систем. Если бы это было не так, стало было бы невозможно отправлять данные из одного места в другое без потери большинства пакетов информации или их попадания в пункт назначения в виде груды тарабарщины.

С военными приложениями дело обстоит еще хуже. Современные вооруженные силы все активнее участвуют в кибервойнах, что стало очевидной причиной потребности в точных часах, но даже в обычных боевых действиях требуется точность наносекундного уровня, потому что военные средства должны действовать на экстремальной дальности, с экстремальной скоростью и наносить удары с предельной точностью. Ошибка в миллиардные доли секунды может привести к тому, что боеприпас промахнется на метр, что недопустимо по современным меркам, и аналогичная ошибка может привести к опасному отклонению самолета от курса.

Другая причина заключается в том, что современные военные сильно зависят от GPS как для навигации, так и для синхронизации времени. Но GPS не всегда доступен. Его также можно заглушить или подделать, поэтому полевые устройства должны уметь работать независимо от системы в течение ограниченного периода времени.

Чтобы обеспечить необходимую точность, первым решением стали атомные часы, которые основаны на измерении частоты атомов цезия при переходе из одного энергетического состояния в другое. Используя эту частоту в качестве отправной точки, теперь можно определить секунду с точностью, которая показывает увеличение или уменьшение на одну секунду каждые 31,71 миллиона лет.

К сожалению, даже это недостаточно точно. Нужны часы с точностью до триллионной доли секунды, поэтому за последние 30 лет были предприняты согласованные усилия, чтобы сделать атомные часы более точными. Не обращая внимания на множество технических деталей, обычные атомные часы работают, используя луч микроволн для измерения частоты атомов-мишеней, но заменив микроволны светом, точность повышается в 100 раз. Такие оптические часы настолько точны, что они не выиграют и не потеряют ни секунды за всю жизнь Вселенной.

Такие оптические атомные часы были построены, но по-прежнему представляют собой огромные, хрупкие, заполняющие комнату машины, непригодные для военного применения. Целью программы DARPA ROCkN будет изучение основных физических принципов работы оптических часов и поиск способа создания оптических атомных часов малого размера, веса и мощности (SWaP). Кроме того, они будут более точными, чем современные атомные часы.

Для этого ROCkN сначала попытается создать надежные, высокоточные небольшие портативные оптические часы, которые могут поддерживать пикосекундную точность в течение 100 секунд за раз. Эти часы будут достаточно малы, чтобы их можно было установить на истребителе или спутнике, и достаточно прочны, чтобы выдерживать температуру, ускорение и вибрационный шум такой среды.

Второй этап будет направлен на создание более крупной транспортабельной версии, которую можно будет использовать на корабле ВМФ или в полевых условиях с точностью до наносекунды в течение до 30 дней без внешнего сигнала GPS.

«Цель в том, чтобы перевести оптические атомные часы из сложных лабораторных конфигураций в небольшие и надежные версии, которые могут работать за пределами лаборатории», — сказала Татьяна Курчич, руководитель программы в Управлении оборонных наук DARPA. «Если мы добьемся успеха, эти оптические часы обеспечат 100-кратное увеличение точности или уменьшение погрешности синхронизации по сравнению с существующими микроволновыми атомными часами и продемонстрируют улучшенный запас наносекундной точности синхронизации с нескольких часов до месяца. Эта программа может создать многие из критических технологий, компонентов и демонстраций, ведущих к потенциальной будущей архитектуре сетевых часов».