DARPA объявило о новой инициативе под названием «Надежная сеть оптических часов» (Robust Optical Clock Network, ROCKN), целью которой является разработка практичных, сверхточных оптических атомных часов, надежных и достаточно компактных, чтобы поместиться в военном самолете, военном корабле или машине для использования в полевых условиях.
Наш мир работает, опираясь на время, но мы часто не осознаем, насколько точно. В золотой век железных дорог компании гордились поездами, прибывающими с точностью до минуты по расписанию. Сегодня мы думаем, 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 отбойного молотка.
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, 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 является 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 высокой 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. Однако система GPS не всегда доступна. Ее также можно заглушить или подделать, поэтому полевые устройства должны иметь возможность работать независимо от этой системы в течение ограниченного периода времени.
Чтобы обеспечить необходимую точность, первым решением стали атомные часы, которые основаны на измерении частоты атомов, таких как цезий, 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 одной секунды 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 при замене микроволн светом, точность повышается в 100 раз. Фактически, такие оптические часы настолько точны, что самые продвинутые из них не выиграют и не потеряют ни секунды за всю жизнь Вселенной.
Такие оптические атомные часы были построены, но они по-прежнему представляют собой огромные, чувствительные, заполняющие комнату машины, непригодные для военного применения. Целью программы DARPA ROCKn является изучение основных физических принципов работы оптических часов и поиск способа создания оптических атомных часов малого размера, веса и мощности. И более того, они будут более точными и достоверными, чем самые современные атомные часы.
Для этого по программе ROCKn сначала будет сделана попытка 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 полевой части, и которая будет иметь точность до наносекунды в течение до 30 дней без внешнего сигнала GPS.
«Цель состоит 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 Подразделении оборонных исследований 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 улучшенное сохранение синхронизации наносекундной точности с нескольких часов до месяца. Эта программа может создать многие из критических технологий, компонентов и демонстраций, ведущих к потенциальной будущей сетевой архитектуре часов».
Источник: DARPA