Атомный эталон времени: Презентация по астрономии «Атомный эталон времени»

новый тип сверхточных атомных часов / Хабр

Поиски идеала это бесконечный поход по пустыне. Мы идем по бескрайнему морю песка, пересекая бархан за барханом, пока палящее солнце медленно, но верно отбирает у нас последние запасы воли и надежды. И вот на горизонте мы видим нечто прекрасное, нечто, что мы так надеялись найти. Но пустыня обманчива и коварна, а образ, увиденный нами, всего лишь мираж. И мы продолжаем идти дальше, пока горячий ветер заметает наши следы, не оставляя возможности вернутся назад. Идеал это мираж, к которому мы постоянно стремимся, и который ускользает от нас, как только мы к нему приближается. Каждый раз когда кто-то создает что-то идеально, оно существует в таком статусе недолго, ибо всегда есть куда расти, всегда есть место для совершенствования. Эта пустыня не имеет конца.

Еще один аспект бытия, который мы по своей наивности считаем подконтрольным нам, это время. Мы его уделяем, коротаем, экономим, измеряем и отсчитываем, но по большей степени мы его теряем. Атомные часы считаются идеальным инструментом измерения времени. Но с каждым новым таким устройством предыдущее теряет свой «эталонный» статус, а идеал, как ему это свойственно, становится на шаг ближе и на два шага дальше.

Сегодня мы познакомимся с исследованием ученых из МТИ (Массачусетский технологический институт, США), в котором они описывают новый тип атомных часов, способных отсчитывать время точнее своих предшественников. Каковы фундаментальные физические принципы, заложенные в данное устройство, как оно работает, и насколько точно в этот ученые отмеряют время? Ответы на эти вопросы ждут нас в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Современные атомные часы основаны на точном обнаружении разницы энергий между двумя атомными уровнями, которая измеряется в единицах квантовой фазы, накопленной за установленный интервал времени. Стабильность часов на оптической решетке (OLC от optical-lattice clock) ограничивается как прерыванием интеррогации («допрос» системы) атомной системы лазером автогенератора* (эффект Дика*; Local Oscillator Induced Instabilities in Trapped Ion Frequency Standards), так и стандартным квантовым пределом* (SQL от standard quantum limit), который возникает из-за квантового шума, связанного с дискретными измерениями.

Автогенератор (local oscillator)* — электронный генератор с самовозбуждением, вырабатывающий электрические (электромагнитные) колебания, которые поддерживаются подачей по цепи положительной обратной связи части переменного напряжения с выхода автогенератора на его вход.

Эффект Дика* — ограничение стабильности частоты пассивного атомного стандарта частоты, когда вспомогательный источник частоты дискретизируется исключительно периодически.

Стандартный квантовый предел (SQL)* — ограничение, накладываемое на точность непрерывного или многократно повторяющегося измерения какой-либо величины, описываемой оператором, который не коммутирует сам с собой в разные моменты времени.

Методы нивелировать эффект Дика уже существуют, однако система, способная работать за пределами SQL за счет создаваемых квантовых корреляций (т.е. за счет запутываний) между атомами, пока что рассматривалась исключительно в теоретическом виде.

В данном труде ученые описывают процесс успешного создания многоатомного запутанного состояния при OLC переходе для демонстрации последовательности Рэмси* с отклонением Аллана* ниже SQL после вычитания шума автогенератора.

Последовательность Рэмси* — простейшая последовательность, показывающая свободную эволюцию кубита во временной области.

Дисперсия Аллана* — мера стабильности частоты различных устройств, в особенности часов и генераторов. Отклонение Аллана (sigma-tau) равно квадратному корню из дисперсии Аллана.

За последние годы был достигнут впечатляющий прогресс в квантовой, атомной и оптической физики, который значительно повысил точность часов на оптической решетке. Технический шум в некоторых OLC был снижен до уровня, близкого или даже ниже уровня собственного квантового шума*.

Квантовый шум* — является аспектом неопределенности физической величины, ввиду ее квантового происхождения.

Часы, работающие с N некоррелированными атомами в течение времени усреднения τ в SQL, могут достичь ограниченной квантовым шумом стабильности, определяемой выражением

где τ_R — время интеррогации (время Рэмси) атомов лазером; T_c — время тактового цикла; ω₀ — угловая частота тактового перехода; ξ²_w = 1 — параметр Вайнленда для идеальных условий с идеальной подготовкой и детектированием квантового когерентного состояния.

Если часы работают с циклом меньше 1 (T_c > τ_R), а при этом автогенератор не привязан к атомной эволюции в течение части цикла, то шум Дика σ²_Dick, который возникает из-за наложения высокочастотного шума автогенератора, следует добавить к уравнению выше. Подавление шума Дика возможно за счет использования двух ансамблей (т.е. двух совокупностей атомов), что позволяет устранить мертвое время, или путем одновременного допроса двух ансамблей.

Изображение №1

SQL, описываемый формулой 1 с ξ²_w=1, не является фундаментальным пределом и может быть преодолен посредством квантовых корреляций (запутываний) между участвующими атомами. Простейшим запутанным состоянием в данном случае является состояние сжатого спина (SSS от squeezed spin state), в котором квантовый шум перераспределяется между двумя ортогональными квадратурами спина (1d): одна с уменьшенным квантовым шумом (сжатая ось), а другая — с повышенным шумом (анти-сжатая ось). На изображении 1d каждый атом связан со спином 1/2, а ансамбль N-атомов с коллективным спином S₀ = N/2.

Ориентируя сжатую квадратуру коллективного спина вдоль фазовой оси во время работы часов, можно уменьшить квантовый шум и повысить стабильность часов. Потенциальный метрологический выигрыш по сравнению с SQL, выраженный в дисперсии, определяется как ξ^-2_W, где параметр Вайнленда ξ²_w = ξ²/C² включает в себя как уменьшение дисперсии ξ² спинового шума и величину среднего вектора спина |⟨S⟩| = CS₀.

Как отмечают ученые, за последние годы SSS были использованы в различных системах, таких как атомные конденсаты Бозе – Эйнштейна, холодные атомные ансамбли и захваченные ионы. В нейтральных атомах с помощью оптических методов было продемонстрировано сжатие спина до 20 дБ за пределами SQL. Однако, учитывая, что поддерживать фазовую когерентность на высоких частотах сложнее, все сжатия спина до сих пор включали переходы с частотами ω₀ на 5–10 порядков меньше, чем оптические частоты, и переходы, которые демонстрируют пропорционально уменьшенную точность времени.

Основываясь на генерировании сжатия спина между ядерными подуровнями основного электронного состояния ¹⁷¹Yb, ученые создали SSS на оптическом переходе для OLC, в котором атомная система может обеспечивать чувствительность за пределами SQL.

Результаты исследования

Разработанные часы работают с ансамблем из N = 350 ± 40 атомов ¹⁷¹Yb, которые заключены в двумерную ловушку на оптической решетке с магической длиной волны* внутри оптического резонатора (1a) высокой точности (F ≈ 12000) и охлаждаются рамановской боковой полосой до среднего колебательного квантового числа ⟨n_x⟩ < 0. 2.

Магическая длина волны* — длина волны оптической решетки, в которой поляризуемости двух состояний атомных часов имеет одинаковое значение.

Для поддержания надежности SSS в созданных часах, было сгенерировано сжатие спинов между двумя ядерными подуровнями |↑⟩ = |¹S₀, m_I = +1/2⟩ и |↓⟩ = |¹S₀, m_I = −1/2⟩ основного электронного состояния ¹S₀ с использованием взаимодействия между атомами и оптическим резонатором. Затем совокупность |↑⟩ была переведена в возбужденное состояние часов |e⟩ = |³P₀, m_I = 1/2⟩ с помощью π-импульса лазера (1b).

Сжатие спинов между подуровнями основного состояния достигается путем оптической накачки атомов в состояние |↑⟩, создавая при этом CSS между |↑⟩ и |↓⟩ с помощью радиочастотного (RF) π/2 импульса, а затем применения лазерного импульса вблизи перехода |↑⟩ = |³P₁, m_F = 3/2⟩ через резонатор. Взаимодействие атома со светом, усиленное резонатором, аппроксимирует одноосный гамильтониан закручивания с продольным магнитным полем, H₁ = β S_x + χ S²_z.

Затем использовался протокол спинового эха для отмены линейного члена (S_z), так чтобы система развивалась под эффективным одноосным гамильтонианом скручивания H = χ S²_z в течение времени τ_s.

Наконец, уменьшенный шум спина можно было ориентировать вдоль любой желаемой оси в многообразии основного состояния {|↓⟩, |↑⟩}, вращая SSS вокруг его среднего направления вращения ⟨S⟩ с помощью другого РЧ-импульса.

Изображение №2

Подготовив SSS в многообразии основного состояния {|↑⟩, |↓⟩}, его картировали на тактовый переход ¹S₀ → ³P₀ путем фазового когерентного перевода населенности |↑⟩ в состояние |e⟩ с оптическим π-импульсом автогенератора. На переходе |g⟩ → |e⟩ наблюдался чистый спектр Раби* (2а) и когерентные колебания Раби (2b).

Частота Раби* — частота, которая количественно описывает взаимодействие резонансного излучения с дипольным моментом атома или молекулы.

На графике 2с видно, что запутанность пережила перенос |g⟩ → |e⟩ → |g⟩, что видно по сжатию спинов после этого процесса в многообразии {|↑⟩, |↓⟩}. Сжатый шум падает значительно ниже стандартного квантового предела до уровня ξ² = −5.9 дБ^+0.6_−0.8.

Изображение №3

На изображении выше показаны измеренные нормированные спиновые шумы ξ² и параметр Вайнленда ξ²_W как функция времени Рэмси на тактовом переходе как для CSS, так и для SSS с его сжатым направлением ориентированным вдоль S_z в спиновом пространстве {|g⟩, |e⟩}.

В этой конфигурации, которая не улучшает тактовые характеристики, но может использоваться для оценки запутанности, фазовый шум автогенератора не влияет на сжатую квадратурную S_z, потому наблюдается, что спиновой шум S_z остается уменьшенным в течение времени до 1 секунды.

В то время как наблюдаемый контраст Рэмси уменьшается из-за фазового шума автогенератора с постоянной времени τ_LO = 6 мс, внутренняя когерентность атомного состояния (средняя длина вектора спина атома |⟨S⟩|) может быть определена, даже если локальный фазовый шум автогенератора является преобладающим.

Спиновая когерентность ансамбля на тактовом переходе экспоненциально затухает с постоянной времени τ_ens = 0.8 ± 0.2 с как для CSS, так и для SSS. Как показано на изображении №3, после времени опроса около 0.2 с, SSS уже недостаточно запутан, чтобы преодолеть SQL, но он все еще может предложить метрологический выгоду по сравнению с CSS на срок до 0.5 с.

В полностью работающих атомных часах атомная фаза используется для стабилизации фазы автогенератора посредством обратной связи. Следовательно, тактовые характеристики могут быть улучшены за счет использования SSS со сжатой осью, ориентированной вдоль направления фазы, что позволяет измерять разность фаз между атомами и автогенератором с большей стабильностью, чем CSS. Оптимальное время Рэмси, при котором достигается максимальная выгода по сравнению с CSS, определяется из времени когерентности автогенератора τ_LO и параметра Вайнленда.

Изображение №4

На изображении выше продемонстрирована реализация OLC-последовательности Рэмси с входом запутанного состояния и показано, что атомарная система обеспечивает стабильность за пределами SQL.

На графике 4а показано, что «сжатые» часы, хоть и не работают за пределами своего SQL из-за фазового шума автогенератора, имеют отклонение Аллана на 3 дБ ниже, чем у тех, что работаю с CSS.

Фазовый шум автогенератора Δϕ_LO в данной системе возникает в основном из-за изменения частоты от последовательности к последовательности Δω/(2π) = 78 ± 3 Гц (т.е. Δϕ_LO = τ_RΔω), и измеряется с помощью последовательность S2 с большим временем Рэмси. Затем можно удалить Δϕ_LO из отклонения Аллана данных S1, чтобы получить внутреннюю стабильность системы атомных часов, работающей с SSS во времеми Рэмси τ_S1 (красные точки на 4c).

Далее ученые проверили работу часов на базе CSS в тех же условиях, но с полностью удаленным шумом автогенератора (синие точки на 4с). Запутанная атомная система демонстрирует стабильность, которая на 4.4^+0.6_–0.4 дБ ниже SQL и на 5.7 дБ ниже CSS, учитывая, что последний также подвержен несовершенному обнаружению состояния и потере контраста.

В совокупности данные результаты показывают успешность создания сжатия спинов ансамбля атомов между атомными уровнями, энергии которых различаются в масштабе оптических фотонов. Сжатие было использовано для демонстрации последовательности оптических часов, в которой запутанность обеспечивает стабильность в атомной системе за пределами стандартного квантового ограничения.

Для более детального ознакомления с нюансами рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

В данном труде ученые разработали новый тип атомных часов, основой которого стали атомы иттербия. Атомы были охлаждены и захвачены в оптическом резонаторе с помощью двух зеркал. Затем через резонатор пропускали лазерный луч, который отскакивал от зеркал, тем самым многократно взаимодействуя с захваченными атомами. За счет этого достигалась квантовая запутанность атомов. После этого использовался еще один лазерный импульс для измерения их средней частоты. Применение запутывания для часов на оптической решетке повышает их точность примерно в четыре раза, по сравнению с теми, что работают по классической схеме.

Авторы исследования заявляют, первый атом, который взаимодействует с лазерным излучением, изменяет его, затем это измененное излучение меняет второй атом, затем третий атом и т.д. Спустя множество циклов взаимодействия атомы начинают вести себя одинаково, что и является их запутанностью.

Достижение высокой точности требует большего времени для процесса измерения. Этот принцип касается и атомных часов. Если такие устройства объединить с атомной запутанностью, то они смогут значительно быстрее и точнее определять время. Более точные атомные часы позволяют расширить спектр возможностей в аспекте изучения Вселенной, в том числе темной материи и гравитационных волн.

Вполне очевидно, чем лучше инструмент, тем лучше результат работы. Однако не стоит забывать и о том, кто этим инструментом пользуется, и кто его создает. Подобные труды, в которых описываются новые устройства и системы, облегчающие исследования как таковые, лишний раз говорят о невероятной силе интеллекта тех, кто ими занимается.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. 🙂

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас:Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Атомный эталон времени — презентация онлайн

Похожие презентации:

Первая Мировая война (1914-1918)

Россия в системе международных отношений в XVII веке

Гражданская война́ в России (1917- 1922)

Февральская революция 1917 года

Первая русская революция 1905-1907 гг

Русская культура во второй половине XIX века

Европейская индустриализация и предпосылки реформ в России

Смута (Смутное время) 1598 – 1613 гг

Индия в XVIII веке (8 класс)

История бренда BMW

Атомный эталон
времени
Презентацию подготовила
Свидригайлова Нина,
Ученица 11 класса.
Когда изобрели атомные часы?
В 1945 году профессор физики Колумбийского университета Исидор Раби
предложил часы, которые можно сделать на основе техники, разработанной
в 1930-х годах. Она называлась атомный пучок магнитного резонанса. К 1949
году Национальное бюро стандартов объявило о создании первых в мире
атомных часов на основе молекулы аммиака, колебания которой и
считывались, а к 1952 году — создала первые в мире атомные часы на
основе атомов цезия, NBS-1.
В 1955 году Национальная физическая лаборатория в Англии построила
первые часы на основе пучка цезия в качестве источника калибровки. В
течение следующего десятилетия создавались более совершенные часы. В
1967 году в ходе 13 Генеральной конференции по мерам и весам была
определена СИ секунды на основе вибраций в атоме цезия. В мировой
системе хронометража не было точнее определения, чем это. NBS-4, самые
стабильные в мире цезиевые часы, были завершены в 1968 году и
использовались до 1990 года.
В 1999 году NBS, переименованная в NIST, начала работать с часами NISTF1, точность которых допускала погрешность на одну секунду в 20
миллионов лет.
Какие типы атомных часов мы знаем?
Сегодня существуют различные типы атомных часов, однако построены они
на одних и тех же принципах. Основное различие связано с элементом и
средствами обнаружения изменений уровня энергии. Среди разных типов
атомных часов существуют следующие:
► Цезиевые атомные часы, использующие пучки атомов цезия. Часы разделяют
атомы цезия с разными энергетическими уровнями магнитным полем.
► Водородные атомные часы поддерживают атомы водорода на нужном
энергетическом уровне в контейнере, стены которого сделаны из специального
материала, поэтому атомы не теряют высокоэнергетическое состояние слишком
быстро.
► Рубидиевые атомные часы, самые простые и компактные из всех, используют
стеклянную ячейку с рубидиевыми газом.
Самые точные атомные часы сегодняшнего дня
используют атом цезия и обычное магнитное поле с
детекторами. Кроме того, атомы цезия сдерживаются
лазерными лучами, что уменьшает небольшие изменения
частоты из-за эффекта Доплера.
Как работают атомные часы на основе цезия?
У атомов есть характерная частота колебаний. Знакомый вам пример частоты — это оранжевое
свечение натрия в поваренной соли, если ее бросить в огонь. У атома есть много разных частот,
некоторые в радиодиапазоне, некоторые в диапазоне видимого спектра, а некоторые между этими
двумя. Цезий-133 чаще всего выбирают для атомных часов.
Чтобы вызвать резонанс атомов цезия в атомных часах, нужно точно измерить один из переходов
или резонансную частоту. Обычно это делается путем блокировки кварцевого генератора в
основном микроволновом резонансе атома цезия. Этот сигнал находится в микроволновом
диапазоне радиочастотного спектра и обладает той же частотой, что и сигналы спутников прямого
вещания. Инженеры знают, как создать оборудование для этой области спектра, в мельчайших
подробностях.
Чтобы создать часы, цезий сначала нагревают так, что атомы выпариваются и проходят через
трубу с высоким вакуумом. Сначала они проходят через магнитное поле, которое выбирает атомы
с нужным энергетическим состоянием; потом они проходят через интенсивное микроволновое
поле. Частота микроволновой энергии скачет туда-сюда в узком диапазоне частот, так что в
определенный момент она достигает частоты 9 192 631 770 герц (Гц, или циклов в секунду).
Диапазон микроволнового генератора уже близок к этой частоте, поскольку ее производит точный
кварцевый генератор. Когда атом цезия получает микроволновую энергию нужной частоты, он
меняет свое энергетическое состояние.
В конце трубки другое магнитное поле отделяет атомы, которые изменили свое энергетическое
состояние, если микроволновое поле было нужной частоты. Детектор в конце трубки дает
выходной сигнал, пропорциональный количеству атомов цезия, которые в него попадают, и
достигает пика, когда микроволновая частота достаточно верна. Этот пиковый сигнал нужен для
корректировки, чтобы привести кварцевый генератор, а значит и микроволновое поле к нужной
частоте. Эта заблокированная частота затем делится на 9 192 631 770, чтобы дать знакомый всем
один импульс в секунду, нужный реальному миру.
Радиоактивны ли атомные часы?
Атомные часы показывают время лучше любых других часов. Они показывают время лучше, чем
вращение Земли и движение звезд. Без атомных часов GPS-навигация была бы невозможной,
Интернет не был бы синхронизирован, а положение планет не было бы известно с достаточной
точностью для космических зондов и аппаратов.
Атомные часы не радиоактивны. Они не полагаются на атомный распад. Более того, у них есть
пружина, как и у обычных часов. Самое большое отличие стандартных часов от атомных в том, что
колебания в атомных часах происходят в ядре атома между окружающими его электронами. Эти
колебания сложно назвать параллелью балансовому колесику в заводных часах, однако оба типа
колебания можно использовать для отслеживания уходящего времени. Частота колебаний внутри
атома определяется массой ядра, гравитацией и электростатической «пружиной» между
положительным зарядом ядра и облаком электронов вокруг него.

English    
Русский
Правила

NIST запускает новый стандарт времени США: атомные часы NIST-F2

Брифинг новостей атомных часов NIST-F2:

• Вступительное заявление Тома О’Брайана, начальника отдела времени и частоты
• Вступительное заявление Стива Джеффертса, руководителя проекта NIST, первичные стандарты частоты
• Запись вебинара

См. справочную информацию о работе часов и сопровождающую анимацию NIST-F2.

БОУЛДЕР, Колорадо — Национальный институт стандартов и технологий (NIST) Министерства торговли США официально выпустил новые атомные часы, названные NIST-F2, которые будут служить новым гражданским стандартом времени и частоты в США, наряду с текущими Стандарт NIST-F1.

Физики NIST Стив Джеффертс (на переднем плане) и Том Хивнер с атомными часами с цезиевым фонтаном NIST-F2, новым гражданским эталоном времени в Соединенных Штатах.

Кредит:

НИСТ

NIST-F2 не отставал и не отставал ни на одну секунду примерно за 300 миллионов лет, что делает его примерно в три раза более точным, чем NIST-F1, который служит стандартом с 1999 года. В обоих часах для определения используется «фонтан» из атомов цезия. точная продолжительность секунды.

Ученые NIST недавно представили Международному бюро мер и весов (BIPM), расположенному недалеко от Парижа, Франция, первые официальные данные о производительности NIST-F2*, который разрабатывался в течение десяти лет. Это агентство сопоставляет данные атомных часов по всему миру, чтобы получить всемирное координированное время (UTC), международный стандарт времени. Согласно данным BIPM, NIST-F2 в настоящее время является самым точным эталоном времени в мире.50-е годы. Выполняя роль центра измерений в США, NIST стремится развивать атомное хронометраж, являющееся частью базовой инфраструктуры современного общества. Многие повседневные технологии, такие как сотовые телефоны, спутниковые приемники глобальной системы позиционирования (GPS) и электроэнергетическая сеть, полагаются на высокую точность атомных часов. Исторически сложилось так, что улучшение хронометража неизменно приводило к совершенствованию технологий и инновациям.

NIST запускает новый стандарт времени США NIST-F2 Atomic Clock

«Если мы чему-то и научились за последние 60 лет создания атомных часов, так это тому, что каждый раз, когда мы строим лучшие часы, кто-то придумывает для них такое применение, которое вы не могли предвидеть», — говорит NIST. физик Стивен Джеффертс, ведущий конструктор NIST-F2.

На данный момент NIST планирует одновременно использовать как NIST-F1, так и NIST-F2. Долгосрочные сравнения двух часов помогут ученым NIST продолжать совершенствовать оба часа, поскольку они служат стандартом США для гражданского времени. Военно-морская обсерватория США поддерживает стандарты военного времени.

Как NIST-F1, так и NIST-F2 измеряют частоту определенного перехода в атоме цезия, которая составляет 9 192 631 770 колебаний в секунду и используется для определения секунды, международной единицы времени (СИ). Основное функциональное отличие заключается в том, что F1 работает при температуре, близкой к комнатной (около 27 ºC или 80 ºF), тогда как атомы в F2 защищены в гораздо более холодной среде (при минус 193 ºC или минус 316 ºF). Это охлаждение резко снижает фоновое излучение и, таким образом, уменьшает некоторые из очень небольших ошибок измерения, которые должны быть исправлены в NIST-F1.

Атомные часы NIST-F2: как они работают?

Первичные эталоны, такие как NIST-F1 и NIST-F2, используются в течение нескольких недель несколько раз в год для калибровки шкал времени NIST, наборов стабильных коммерческих часов, таких как водородные мазеры, используемые для измерения времени и установления официального времени суток. Часы NIST также вносят свой вклад в UTC. Технически и F1, и F2 являются стандартами частоты, то есть они используются для измерения размера секунды SI и калибровки «тиков» других часов. (Время и частота обратно пропорциональны.)

NIST предоставляет широкий спектр услуг по измерению времени и синхронизации для удовлетворения широкого круга потребностей клиентов. Официальное время NIST используется, например, для отметки времени финансовых транзакций в США на сотни миллиардов долларов каждый рабочий день. Время NIST также распространяется среди промышленности и общественности через Интернет-службу времени, которая по состоянию на начало 2014 г. получала около 8 миллиардов автоматических запросов в день на синхронизацию часов на компьютерах и сетевых устройствах; и радиопередачи NIST, которые ежедневно обновляют примерно 50 миллионов часов и других часов.

По запросу итальянской организации по стандартизации NIST изготовил множество дублирующих компонентов для второй версии NIST-F2, известной как IT-CsF2, для эксплуатации Национальным институтом метрологической службы (INRIM), аналогом NIST в Турине, Италия. Два соавтора из Италии внесли свой вклад в новый отчет по NIST-F2.

Эпоха цезиевых часов официально восходит к 1967 году, когда секунда была определена на основе колебаний атома цезия. Цезиевые часы значительно улучшились с тех пор и, вероятно, улучшатся еще немного. Но часы, работающие на микроволновых частотах, например, на основе цезия или других атомов, скорее всего, приближаются к пределу своих возможностей из-за относительно низких частот микроволн. В будущем более высокая производительность, вероятно, будет достигнута с часами на основе атомов, которые переключают энергетические уровни на гораздо более высоких частотах в видимой части электромагнитного спектра или вблизи нее. Эти оптические атомные часы делят время на более мелкие единицы и могут привести к созданию стандартов времени, более чем в 100 раз более точных, чем сегодняшние цезиевые стандарты. Более высокая частота является одним из множества факторов, позволяющих повысить точность и аккуратность.

Для СМИ: Видеоролики высокой четкости доступны по запросу.

*Т.П. Хивнер, Э.А. Донли, Ф. Леви, Г. Костанцо, Т.Е. Паркер, Дж.Х. Ширли, Н. Эшби, С.Э. Барлоу и С.Р. Джеффертс. Первая оценка точности NIST-F2. 2014. Метрология 51 174 doi:10.1088/0026-1394/51/3/174.

**Эти данные публикуются ежемесячно в Циркуляре BIPM T , доступном онлайн по адресу http://www.bipm.org/jsp/en/TimeFtp.jsp?TypePub=publication#nohref. Планируется, что NIST-F2 впервые будет включен в список в выпуске за март 2014 года. Интересующее значение представляет собой неопределенность типа B (систематическая).

Стандарт времени NIST США: Атомные часы NIST-F2

Глобальный форум сообщества защиты, автоматизации и управления

Вопросы, связанные со временем

В 2014 году Министерство торговли США Национального института стандартов и технологий (NIST) официально выпустило новые атомные часы, названные NIST-F2, которые служат новым гражданским стандартом времени и частоты в США, наряду с текущим NIST-F1. стандарт. NIST-F2 не выиграет и не потеряет ни одной секунды примерно за 300 миллионов лет, что делает его примерно в три раза более точным, чем NIST-F1, который служит стандартом с 19-го века. 99. В обоих часах используется «фонтан» из атомов цезия для определения точной длины секунды.

NIST-F2 разрабатывался в течение десяти лет и является последним из серии атомных часов на основе цезия, разработанных NIST с 1950-х годов. Выполняя роль центра измерений в США, NIST стремится развивать атомное хронометраж, являющееся частью базовой инфраструктуры современного общества. Многие повседневные технологии, такие как сотовые телефоны, спутниковые приемники глобальной системы позиционирования (GPS) и электроэнергетическая сеть, зависят от высокой точности атомных часов. Результаты работы были сообщены в Международное бюро мер и весов (BIPM), расположенное недалеко от Парижа, Франция, — агентство, которое сопоставляет данные с атомных часов по всему миру для получения всемирного координированного времени (UTC), международного эталона времени. Согласно данным BIPM, NIST-F2 был признан самым точным стандартом времени в мире.

NIST планирует одновременно использовать как NIST-F1, так и NIST-F2. Долгосрочное сравнение двух часов помогает ученым NIST продолжать совершенствовать оба часа, поскольку они служат стандартом США для гражданского времени. Военно-морская обсерватория США поддерживает стандарты военного времени.

И NIST-F1, и NIST-F2 измеряют частоту определенного перехода в атоме цезия, которая составляет 9 192 631 770 колебаний в секунду и используется для определения секунды, международной единицы времени (СИ). Основное функциональное отличие состоит в том, что F1 работает при температуре около комнатной (около 27 ºC или 80 ºF), тогда как атомы в F2 защищены в гораздо более холодной среде (при минус 19°С).3 ºC или минус 316 ºF). Это охлаждение резко снижает фоновое излучение и, таким образом, уменьшает некоторые из очень небольших ошибок измерения, которые должны быть исправлены в NIST-F1.

Первичные эталоны, такие как NIST-F1 и NIST-F2, используются в течение нескольких недель несколько раз в год для калибровки шкал времени NIST, наборов стабильных коммерческих часов, таких как водородные мазеры, используемые для измерения времени и установления официального времени суток. . Часы NIST также вносят свой вклад в UTC. Технически F1 и F2 являются стандартами частоты, то есть они используются для измерения размера секунды SI и калибровки «тиков» других часов.

Эра цезиевых часов официально восходит к 1967 году, когда секунда была определена на основе колебаний атома цезия. Цезиевые часы значительно улучшились с тех пор и, вероятно, улучшатся еще немного. Но часы, работающие на микроволновых частотах, например, на основе цезия или других атомов, скорее всего, приближаются к пределу своих возможностей из-за относительно низких частот микроволн. В будущем более высокая производительность, вероятно, будет достигнута с часами на основе атомов, которые переключают энергетические уровни на гораздо более высоких частотах в видимой части электромагнитного спектра или вблизи нее. Эти оптические атомные часы делят время на более мелкие единицы и могут привести к созданию стандартов времени, более чем в 100 раз более точных, чем сегодняшние цезиевые стандарты. Более высокая частота является одним из множества факторов, позволяющих повысить точность и аккуратность.