Мы часто пишем о разного рода стандартах — например, мы рассказывали, как продвигается переход на IPv6 и что думают о протоколе Media over QUIC в индустрии. Сегодня поговорим о стандарте времени, точнее, об устройствах, которые его измеряют — атомных часах, и о том, как специалисты со всего мира пытаются сделать их точнее.

Очень краткая справка про атомные часы

Атомные часы, помимо прочего, помогают определять стандарт всемирного координированного времени — UTC. На нем держатся финансовые системы, глобальная навигация (включая GPS), авиация, телекоммуникации и интернет-инфраструктура. Показания сотен атомных часов из более чем 80 лабораторий по всему миру собираются и обрабатываются Международным бюро мер и весов (МБМВ) во Франции. Там специалисты вычисляют «средневзвешенное» время, которое становится официальным UTC. Получается, что атомные часы — это важная часть инфраструктуры времени на планете, и сейчас она строится на основе микроволновых атомных часов.

Такие устройства используют атомы цезия-133 — они поглощают и излучают электромагнитные волны на строго фиксированной частоте при переходе между двумя энергетическими уровнями. Электроника часов постоянно «подстраивает» микроволновый генератор, чтобы поддерживать это резонансное состояние и отсчитывать колебания. Частота таких переходов постоянна, что делает ее идеальным эталоном, но также является их фундаментальным ограничением, «потолком» точности традиционных цезиевых часов. Чтобы обойти это ограничение, ученые используют другие атомы (например, иттербий), переходы в которых совершаются на частотах оптического диапазона — так работают оптические атомные часы. Атомы удерживают в «оптической решетке» — ловушке из пересекающихся лазерных лучей. Затем другой лазер пытается подобрать частоту для энергетического перехода атома. Такие часы в разы точнее и могут «тикать» до 429 трлн раз в секунду [для сравнения, классические микроволновые атомные часы «тикают» 10 млрд раз в секунду].

Однако свои ограничения есть и у оптических часов — они очень чувствительны. На точность влияют доплеровские эффекты, механические вибрации и проч. Кроме того, используемые для облучения атомов лазеры очень дорогие. Тем не менее оптические установки остаются одним из самых перспективных направлений — инженеры и физики в разных странах работают над тем, чтобы сделать их более стабильными и компактными.

Кто всем этим занимается

Оптическими атомными часами сегодня занимается огромное количество исследовательских институтов по всему миру — новые разработки появляются чуть ли не каждый месяц. Например, в октябре этого года физики из MIT нашли способ удвоить точность оптических часов, уменьшив квантовый шум — фундаментальные флуктуации, являющиеся частью природы квантового мира, которые «скрывают» колебания атомов. Специалисты разработали метод, который использует случайный и непредсказуемый сдвиг в квантовом состоянии атомов иттербия — его назвали «глобальная фазовая спектроскопия» (global phase spectroscopy). Метод может привести к разработке компактных оптических установок, требующие меньше вспомогательного оборудования.

В конце ноября исследователи из Торонто также представили собственную версию оптических часов. Главная особенность разработки заключается в охлаждении атомов стронция почти до минус пяти градусов по Кельвину, что значительно снижает погрешность в частоте их колебаний. По словам авторов, точность нового устройства примерно в сто раз выше, чем у традиционных цезиевых часов. К слову, этот проект недавно обсуждали здесь на Хабре. Другой пример — в январе этого года свою разработку представила команда из Физико-технического института Германии: их ионные часы оказались в тысячу раз точнее цезиевых аналогов. Ранее подобные устройства работали с одним-единственным ионом, и для получения точного результата приходилось измерять сигнал на протяжении долгого времени — иногда до двух недель. В новой версии устройства ученые радикально сократили этот интервал, поместив в ионную ловушку несколько ионов. Взаимодействуя друг с другом, они образуют кристаллическую структуру, которую инженеры использовали в качестве «хронометра». 

Ученые также исследуют идею объединения нескольких оптических атомных часов в сеть для синхронизации времени. В этом году ученые из шести стран — Финляндии, Франции, Германии, Италии и Великобритании, а также Японии — поделились результатами 45-дневного эксперимента, в рамках которого провели крупнейшее на сегодняшний день скоординированное международное сравнение частот оптических часов. Для обмена информацией использовали спутниковую связь и оптоволоконные сети. По итогам эксперимента выяснилось, что в первом случае ошибки возникают примерно в сто раз чаще, что может стать критическим ограничением для распределенной сети оптических часов. Оптоволоконная связь выглядит более перспективной, но развитие такой инфраструктуры требует проведения дополнительных исследований.

При этом оптические атомные часы уже проходят испытания в «полевых» условиях — в частности, в морской навигации, где широко применяется GPS. Здесь даже незначительные погрешности в измерениях могут привести к ошибкам определения местоположения в сотни метров, что может быть критично в «водяных пу��тошах», где отсутствуют какие-либо визуальные ориентиры. В апреле этого года калифорнийский стартап Vector Atomic протестировал оптические часы, в которых используются колебания молекул йода. По словам разработчиков, устройство размером примерно с три обувные коробки и массой около 26 килограммов обеспечивает точность в тысячи раз выше, чем классические бортовые атомные часы.

А летом интернациональная команда специалистов из Австралии и США провела морские испытания трех вариаций портативных оптических часов (на основе иттербия и рубидия). Их целью было сравнение краткосрочных характеристик устройств. Эксперимент продлился три недели, и за это время ученые выявили моменты, требующие доработки: например, в движении частота колебаний атомов была не такой стабильной. Стоит отметить, что в перспективе такие устройства могут найти применение не только в судоходстве, но и в беспилотных автомобилях и даже в сервисах доставки дронами.

Взять и переопределить секунду

Сегодня существует парадокс: новые оптические часы измеряют время точнее, чем цезиевые атомные часы — но именно последние определяют время. Поэтому сейчас ведется работа с целью переопределить секунду — это может произойти в течение ближайших пяти лет. Соответствующую дорожную карту составили в Консультативном комитете по времени и частоте (CCTF). В ней главная роль отведена оптическим часам. Новое определение секунды повлияет сразу на несколько инфраструктурных секторов: телекоммуникации, энергетику, финансы, облачные вычисления, транспорт и космическую деятельность. Но наверное, сильнее всего переопределение секунды повлияет на исследования темной материи и гравитационных волн.

Еще одна перспективная разработка для точного измерения секунды — это ядерные часы. Для отсчета времени они используют не электроны на орбите атома, а энергетические переходы внутри самого ядра. Преимущество в том, что ядро лучше защищено от внешних электромагнитных полей и прочих помех, чем электронная оболочка атома. Так, ядерные часы должны быть в сотни раз точнее лучших существующих оптических часов. 

Их реализация — совсем нетривиальная задача, поскольку им необходим редкий и дорогой изотоп торий-229. Но над подобной установкой сейчас работают российские ученые из Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Они планируют представить прототип своих ядерных часов к 2032 году. Возможно, именно такие устройства станут следующими на очереди в переопределении секунды.

О чем еще мы пишем в блоге VAS Experts на Хабре и не только:

• Разметка сетевого трафика: что это, как работает и какие бывают классы. Рассказываем, что такое классификация трафика и зачем она нужна оператору связи. Какие бывают типы классификации: по полям заголовков и по сигнатурам, в чем их отличия. Также говорим о наиболее гибком методе обеспечения QoS — DiffServ и его моделях реализации.

• Как менялся ландшафт DDoS-атак в 2025 году. Нам нравится анализировать отчеты специалистов по информационной безопасности. Посмотрели на актуальные работы исследователей в этом году, обсудили наиболее громкие DDoS-атаки последних месяцев. 

• IPv6, Wi-Fi и ситуации в сфере ИБ — что почитать о беспроводных технологиях и сетевой инфраструктуре. Это — наша подборка материалов о возможностях беспроводных технологий и управлении трафиком: почему не взлетел Wireless USB, как оператору защититься от атаки SYN Flood и другие материалы по теме.