Изследователи от Националния университет на Сингапур са разработили най-точния атомен часовник досега, способен да измерва времето с точност до 19-ия знак след десетичната запетая.

Новата технология демонстрира приблизително четири пъти по-висока точност в сравнение с водещите разработки на американски и китайски лаборатории.

Според резултатите от изследването, публикувано в научното списание Nature и цитирано от Fast Company, часовникът използва йон на редкоземния елемент лутеций, чиито свойства позволяват измерване на времето с изключително малки отклонения.

Тази степен на точност означава, че устройството теоретично би натрупало грешка от една секунда едва след стотици милиарди години, период, който значително надхвърля възрастта на Вселената.

Разработката е дело на учени от Центъра за квантови технологии към Националния университет на Сингапур.

Според официалното съобщение на изследователския център екипът е постигнал относителна неопределеност на измерването от порядъка на 10⁻¹⁹, което е най-ниската докладвана досега стойност за оптичен атомен часовник.

Постижението нарежда Сингапур сред водещите държави в областта на прецизните измервания, в която досега се открояваха разработки от САЩ и Китай.

Най-новият символ на статус в Силициевата долина е свръхрядък швейцарски часовник

Как работи най-точният часовник в света?

Атомните часовници са в основата на редица технологии, които използваме ежедневно. От тяхната точност зависят сателитната навигация, синхронизацията на мобилните мрежи, включително 5G, както и системи, използвани на финансовите пазари.

За разлика от обикновените часовници, които измерват времето чрез механични или електронни колебания, атомните използват естествените честоти, свързани с преходите на електроните между различни енергийни нива.

Международният стандарт за продължителността на една секунда се основава на атомите на цезий. От 1967 г. тя се определя чрез точно 9 192 631 770 периода на електромагнитното излъчване, съответстващо на определен преход в атома на цезий.

През последните десетилетия учените разработват оптични атомни часовници, които използват лазерна светлина вместо микровълново излъчване. Благодарение на значително по-високата честота на светлинните вълни тези устройства позволяват много по-прецизно измерване на времето.

Основното предизвикателство остава чувствителността на атомите към външни фактори като температура, магнитни полета и електрически смущения, които могат да повлияят на точността.

Новата разработка от Сингапур използва единичен електрически зареден атом (йон) на лутеций, задържан във вакуумна камера чрез електрически полета.

Система от лазери следи определен преход между енергийните нива на атома. Лутецият е особено подходящ за тази цел, тъй като съответният преход е слабо чувствителен към температурни промени и магнитни полета.

За допълнително ограничаване на смущенията учените прилагат метод, наречен hyperfine averaging, при който измерванията се комбинират така, че влиянието на определени външни фактори да се компенсира.

Според ръководителя на изследването Мъри Барет, доцент по физика в Националния университет на Сингапур, тези характеристики позволяват висока точност дори при значителни промени в условията на околната среда.

Той посочва, че часовникът би запазил точността си както при екстремните горещини в Долината на смъртта в САЩ, така и при ниските температури на Антарктическото плато.

Учени създават най-точния часовник в света. Това може да е повратна точка за човечеството

Два часовника и 200 часа изпитания

За да потвърдят точността на технологията, изследователите изграждат два независими атомни часовника с лутеций и сравняват работата им в продължение на 200 часа.

Този подход е необходим, тъй като рекордната точност не може да бъде доказана единствено чрез измерванията на едно устройство.

„Има една шеговита поговорка, че човек с един часовник знае колко е часът, а човек с два никога не е сигурен“, отбелязва Кайл Арнолд, един от водещите автори на изследването.

По думите му единственият начин да се провери надеждността на даден стандарт е чрез сравнение между независими часовници и доказване на възпроизводимостта на резултатите.

Изпитанията показват изключително малки отклонения между двете устройства, което според изследователите представлява най-прецизното сравнение на атомни часовници, извършвано досега.

Екипът обаче се сблъсква и с неочаквано предизвикателство, свързано с теорията на относителността на Алберт Айнщайн.

Според нея времето протича по-бавно в по-силно гравитационно поле. Това означава, че дори два часовника, разположени на различна височина, могат да измерват времето с минимална разлика.

Новите устройства са толкова чувствителни, че могат да регистрират този ефект при разлика във височината от едва няколко милиметра.

По време на изпитанията учените установяват, че разлика от приблизително четири милиметра във височината на двата атома е достатъчна, за да повлияе на сравнението. Затова те измерват позициите им с точност под милиметър и отчитат гравитационния ефект в резултатите.

По следите на звездата в света на Zenith

Защо технологията е важна отвъд измерването на времето?

Постижението може да има значение за бъдещото определяне на международния стандарт за една секунда.

Международните организации, отговарящи за измерванията, вече подготвят възможно предефиниране на секундата, което се очаква не по-рано от 2030 г.

Новото поколение оптични атомни часовници е сред основните кандидати за тази промяна, тъй като предлага значително по-висока точност от използваните в момента цезиеви устройства.

Потенциалните приложения на технологията обаче надхвърлят синхронизирането на комуникационни мрежи и навигационни системи.

Тъй като гравитацията влияе върху скоростта, с която протича времето, подобни устройства могат да се използват за изключително прецизно измерване на разлики във височината и промени в гравитационното поле на Земята.

Този подход, известен като хронометрична нивелация, би могъл да намери приложение в геологията, наблюдението на вулканична активност и измерването на морското равнище.

В дългосрочен план мрежи от свръхточни атомни часовници могат да допринесат и за фундаментални физични изследвания, включително търсенето на тъмна материя и проверката дали основните физични константи остават непроменени във времето.

Засега тези приложения са предимно изследователски перспективи, а не готови технологии за масова употреба.

Следващата цел на учените е да намалят размерите на устройството и да разработят преносима версия, която да запази постигнатата точност.

„Следващата стъпка е да превърнем лабораторния часовник в по-компактна система, която може да бъде транспортирана“, обяснява Майкъл Ли, един от водещите автори на изследването, цитиран от Центъра за квантови технологии в Сингапур.