Как лютециевые атомные часы достигли точности порядка 10⁻¹⁹

Для атомных часов мало найти частоту, по которой можно отсчитывать время. Нужно ещё выяснить, насколько электрические и магнитные поля, тепловое излучение и другие условия сдвигают эту частоту. Исследователи из сингапурского Центра квантовых технологий при Национальном университете Сингапура под руководством Мюррея Барретта сообщили о дробной неопределённости частоты около 1 × 10⁻¹⁹. Работа вышла в Nature 23 сентября 2026 года; по оценке команды, это наименьшая опубликованная неопределённость для оптических атомных часов.306

От одного иона — к частотному эталону

В основе часов — один положительно заряженный ион лютеция-176. Лазер исследует переход между его энергетическими состояниями на длине волны 848 нанометров. Частота этого перехода служит эталоном. Но сама по себе высокая частота оптического перехода не обеспечивает точности: окружающая среда способна изменить именно ту величину, которую часы должны воспроизводить.72521

Решение команда разрабатывала годами. В исследовательском плане 2015 года она предложила усреднение по сверхтонкой структуре: измерять связанные между собой внутренние состояния и объединять результаты так, чтобы часть зависящих от состояния сдвигов взаимно компенсировалась. Позднее группа продемонстрировала такой подход с динамическим развязыванием в многоионных лютециевых часах.29152

Другие помехи пришлось изучать отдельно. В 2019 году исследователи измеряли и подавляли различия частот между ионами в часах с тремя ионами, в том числе эффекты, связанные с электрическим квадрупольным моментом. В работах о лютеции также рассматриваются сдвиги от теплового излучения и градиентов электрического поля. Иными словами, результат достигнут не потому, что лютеций вовсе не реагирует на внешние условия, а благодаря учёту и контролю значимых воздействий.1821

Почему в сообщениях фигурируют два числа

Около 1 × 10⁻¹⁹ — это заявленная дробная неопределённость частоты самого эталона. Кроме того, исследователи сопоставили двое независимо собранных одноионных часов и сообщили о неопределённости сравнения 5,7 × 10⁻¹⁹. Сравнение показывает, согласуются ли их показания, но его неопределённость нельзя выдавать за неопределённость каждого из часов.6524

Для сопоставления лютециевых эталонов группа применяла корреляционную спектроскопию: она помогает уменьшить влияние шума лазера и различить очень небольшое расхождение частот. При этом метод сам по себе не исключает систематическую ошибку, общую для обоих устройств. В исходном вопросе упоминается сравнение продолжительностью 200 часов, однако предоставленные выдержки из источников не позволяют независимо подтвердить эту длительность и полный расчёт неопределённости.2628

Фраза о том, что часы ошиблись бы менее чем на секунду за 260 миллиардов лет, — наглядная экстраполяция, а не результат столь долгого наблюдения. Если считать дробную ошибку постоянной, величина 1 × 10⁻¹⁹ даёт примерно секунду за 317 миллиардов лет, а 1,2 × 10⁻¹⁹ — примерно за 264 миллиарда лет. В публикациях встречаются оба значения, поэтому смысл сравнения зависит от выбранного числа.64

Что меняется при такой точности

Оптические эталоны такого уровня могут помочь в будущем пересмотреть определение секунды. Но результат одной лаборатории ещё не доказывает воспроизводимость между лабораториями и не определяет, какой атомный переход станет новым стандартом. Представленные источники также не подтверждают официального срока такого пересмотра.3024

На уровне 10⁻¹⁹ значение имеет даже положение часов: у поверхности Земли разница высот в один миллиметр соответствует гравитационному сдвигу частоты примерно 1,1 × 10⁻¹⁹. Поэтому для сравнения часов в разных местах нужно знать разность гравитационных потенциалов, а не только характеристики приборов. Создание переносной версии станет отдельной проверкой: после перевозки потребуется вновь подтвердить контроль над ионом, лазером и воздействием среды — вместе с достигнутой неопределённостью.521