Как избавиться от цезиевого шума

Современные приборы эталонного времени – атомные часы – это сложнейшие физико-технические установки. Курт Джиббл, сотрудник Penn State University (США), возле одной из таких установок.
Источник: science.psu.edy

Благодаря созданию так называемых цезиевых часов был введен стандарт времени, а именно – 9 млрд. колебаний атомов цезия в секунду (9,2 млрд. колебаний, для точности). Изобретение этих атомных часов революционизировало связь, сделав ее мобильной, и ориентацию в пространстве и во времени, позволив создать всем уже теперь привычную систему GРS. Но сегодня эти «аналоговые» часы в силу своей повышенной «шумности» никого уже не удовлетворяют. В цезиевых часах шум проявляется в колебаниях-флюктуациях вокруг средних значений, понижая тем самым ценность цезиевого стандарта времени, не удовлетворяющего требованиям современных технологий. Ученые стремятся избавиться от этого шума, предлагая различные квантовые решения.

Журнал Nature опубликовал недавно статьи двух групп ученых из Гейдельбергского и Мюнхенского университетов, в которых описаны два подхода к подавлению шума, который мешает повышению точности измерений. Классический шум можно сравнить с движением толпы, в которой трудно определить «по головам» точное число идущих. Совсем другое дело – движение военных или спортсменов на параде. Для их подсчета достаточно определить число идущих в первой шеренге, а затем просто перемножить его на количество рядов. Пока ученым приходится иметь дело с толпой из примерно сотни тысяч атомов цезия.

Оба научных коллектива решили использовать в своих устройствах не цезий, а рубидий, атомы которого более удобны для квантования. С помощью лазерных лучей рубидиевые атомы были охлаждены до состояния так называемого конденсата Бозе-Эйнштейна (ВЕС). Конденсат этот считается квантово-фазовым состоянием материи, и согласно законам квантовой механики в нем возникает суперпозиция, или «наложение», различных состояний, в которых одновременно присутствует-«обитает» атом.

Суперпозиция в макромире быстро нарушается, почему в обычной жизни мы и не наблюдаем квантовых эффектов. Аналогией суперпозиции является белый свет, возникающий в результате наложения и смешения световых лучей разного цвета и длины волны в сотни нанометров.

Немцы стремились максимально уменьшить шум, для чего создали два метода контроля столкновений атомов в конденсате. Для этого прежде всего необходимо было подавить столкновения атомов, находящихся в разных энергетических состояниях. При этом остаются атомы, находящиеся в одном состоянии, что приводит к их взаимодействию-еntanglement, уменьшающему флюктуации. (Знаменитый австрийский теоретик Эрвин Шредингер в начале 30-х годов прошлого века постулировал так называемую спутанность – еntaglement, или взаимодействие атомов, находящихся в суперпозиции.)

В мюнхенском эксперименте конденсат находился на специальном чипе, созданном из золотых проволочек. В нормальных условиях атомы могли сталкиваться друг с другом. Однако с помощью микроволнового импульса их удавалось разводить на разные энергетические уровни, в результате чего происходило как бы еще большее их «замораживание». Так происходит с качелями, когда вы как бы замираете в самой высокой точке и вас даже можно в ней спокойно снять на фотоаппарат без риска получить нечеткий снимок.

Идея микроволновой пульсации заключается в том, чтобы произвести атомный «тюнинг», в результате которого атомы получают возможность взаимодействовать только на одном энергетическом уровне. После такого связывания атомов остается только замерить энергетические уровни.

Результатом явилось то, что классический лимит шума удалось снизить почти наполовину, или на 44%. Представьте себе, что вы пытаетесь отпилить на табуретке доску, которая, естественно, под вашим коленом «играет». Вы зовете жену или ребенка сесть на нее, в результате чего амплитуда «игры» уменьшается вдвое┘

В Гейдельберге конденсат зафиксировали в оптической решетке, представляющей собой ловушку, построенную из сетки пересекающихся друг с другом лазерных лучей. Для увеличения силы столкновений атомов, находящихся в одном энергетическом состоянии, там использовали магнитный импульс, что позволило снизить уровень шума еще больше, чем в Мюнхене, – на 85%.

В Массачусетском технологическом институте пытаются улучшить временной стандарт цезиевых часов с помощью слабого лазерного импульса, подаваемого на облако из сотни тысяч атомов цезия. Под действием этого импульса возникает слабое взаимодействие атомов, но оно не нарушает их суперпозицию, то есть не происходит разрушения квантового состояния.

Удастся ли американцам с их цезиевым облаком нарушить германское доминирование в области конденсата, покажет время. Пока же и те, и другие ведут переговоры с Парижской обсерваторией на предмет замены эталона времени. Если смена пройдет успешно, то встанет вопрос и о смене эталона метра. Нечто подобное уже произошло в прошлом веке, когда секунда была определена как время, за которое происходит известное число колебаний в облаке цезия.