Самое холодное место во Вселенной

Команда Aquark на борту корабля HMS Pursuer. Фото: Aquark

Британская компания достигла температуры минус 273,149996 °C в квантовой технологии, используемой в ее атомных часах, фактически создав самое холодное место во Вселенной. Это высокотехнологичное решение давней проблемы: точная навигация в море без поддержки спутниковых систем.

Александр Янтцен, соучредитель и главный операционный директор Aquark Technologies, объясняет: «В начале XVIII века определение широты для навигации осуществлялось путем наблюдения за положением известных далеких звезд над горизонтом, однако определение долготы оставалось опасной загадкой. Проблема с долготой возникает из-за того, что наша планета вращается, и у нас нет фиксированной точки отсчета для сравнения в открытом море».

Решение этой проблемы было найдено в 1735 году, когда Джон Харрисон разработал первый практичный морской хронометр.

«Решением проблемы точности навигации было — и остается — точное определение времени», — говорит Янтцен. «Харрисон решил проблему определения долготы, показав, насколько точным может быть позиционирование с помощью хронометра (самого надежного хронометра своего времени). Он сравнивал время из известного места — например, откуда корабль отплыл — со временем суток, когда корабль находился в этом месте. Зная разницу во времени до полудня, корабль мог точно определить свое долготное положение».

К 1980-м годам спутниковые навигационные системы в рамках Глобальной навигационной спутниковой системы (включая GPS) сделали хронометры в значительной степени устаревшими для практической навигации, поскольку сигналы времени, необходимые для точной навигации, в основном поступали от атомных часов на спутниках GNSS.

В случае сбоя GNSS атомные часы обеспечивают надежную синхронизацию, выдавая стабильный сигнал до восстановления доступа к GNSS, поскольку они обеспечивают высокоточный, надежный и непрерывный такт, которому невозможно помешать.

«В открытом море обнаружение подмены сигналов зависит от точности синхронизации. Для мостиковых систем необходим источник точных данных, который будет «тикать» в качестве эталонного значения. В нормальных условиях системы позиционирования, навигации и синхронизации (PNT) на мостике судна будут иметь ту же «тактовую частоту», что и атомные часы. Но когда GNSS-приемник подвергается подмене, его синхронизация ускоряется относительно эталонной «тактовой частоты», что может привести к ненадежным данным позиционирования и опасным навигационным ошибкам, если подмена сигналов останется незамеченной», — говорит Янтцен.

«Устойчивость системы позиционирования, навигации и синхронизации (PNT) достигается, когда система обнаруживает разрыв между показаниями атомных часов и GNSS. В случае подмены сигнала система может переключиться на сигнал времени атомных часов и вернется к GNSS, когда разрыв в синхронизации времени исчезнет».

«Наиболее совершенные на сегодняшний день системы точного измерения времени измеряют естественные и стабильные частотные характеристики атомов, определенные квантовой механикой, и используют их для коррекции отклонений от ожидаемой точки, обычно это генератор с частотой 10 МГц», — говорит Янтцен. «Для достижения максимальной точности необходимо как можно дольше получать доступ к атому в невозмущенном состоянии, чтобы устранить шум и усреднить случайные вариации. В Aquark мы делаем это путем лазерного охлаждения атомов до температуры, близкой к абсолютному нулю».

При экстремальной температуре, достигаемой прибором Aquark, естественный квантовый «тик» атома можно измерять в течение более длительных периодов времени, поскольку естественное движение атомов замедляется почти в 10 000 раз — с 290 м/с до 34 мм/с. Частота часов непрерывно проверяется по атомной частоте и автоматически корректируется при необходимости, уменьшая их долговременный дрейф без необходимости какой-либо коррекции с помощью сигнала синхронизации, обычно предоставляемого GNSS.

AQlock — первые коммерчески доступные атомные часы, произведенные в Великобритании. Фото: Aquark

В июне 2025 года компания Aquark в партнерстве с Королевским военно-морским флотом провела трехдневные морские испытания системы AQlock на борту корабля HMS Pursuer. Эти испытания стали первыми в своем роде, проверяя устойчивость системы AQlock при работе в условиях открытого моря. Во время испытаний часы на основе холодных атомов работали непрерывно, обеспечивая точное время без коррекции со стороны GNSS, несмотря на постоянное воздействие крена и тангажа судна.

Компания Aquark провела первое подводное испытание своей ловушки для холодных атомов AQuest на борту автономного подводного аппарата Autosub Long Range Национального океанографического центра. Фото: Aquark

Компания Aquark также провела первое подводное испытание своей ловушки для холодных атомов AQuest, ключевого компонента системы AQlock, в динамических условиях на борту автономного подводного аппарата Autosub Long Range Национального океанографического центра. Собранные данные позволили оценить производительность системы и ее устойчивость при различных температурах и давлениях.

«Примечательность этого эксперимента заключается в том, что лазерное охлаждение атомов исторически было возможно только тогда, когда система была тщательно изолирована от большинства внешних воздействий, что само по себе является серьезной инженерной задачей на суше. Поэтому увидеть, как наша основная технология — ловушка для сверххолодных атомов — функционирует под водой, образуя сверххолодные облака атомов, стало настоящим достижением».

Ловушка «Супер-меласса», разработанная компанией AQlock в 2019 году в Университете Саутгемптона, упрощает проверенный рецепт получения холодных атомов, сводя его к гораздо более простой установке, для которой требуется лишь правильная геометрия лазерного излучения и сверхвысокий вакуум (давление, равное давлению в открытом космосе). Уникальность этой ловушки заключается в том, что ей не требуется поддерживающее магнитное поле.

Трудно переоценить значение этого с инженерной точки зрения, поскольку это устраняет около 50% сложности системы, говорит Янтцен. Это коренным образом меняет способ использования атомов и открывает путь к альтернативному направлению, отличному от того, которое определяло всю область исследований на протяжении почти четырех десятилетий.

«Супер-ловушка из патоки позволяет нам уменьшить размеры, вес, стоимость и энергопотребление квантовых сенсорных систем».

Это и остается главной проблемой атомных часов до настоящего времени. Чем точнее они, тем больше становятся их размеры. Высокопроизводительные и традиционные системы на основе холодных атомов, такие как магнитооптические ловушки, остаются громоздкими, дорогими и непрактичными за пределами лабораторных условий.

Компания Aquark приближается к своей цели — снижению глобальной зависимости от GNSS в операционной деятельности, инфраструктуре, телекоммуникациях, финансах, транспорте и многих других секторах. «Технология холодной материи лежит в основе нашей работы, и время — лишь одно из ее применений. С учетом будущего спроса и инноваций, Aquark будет в хорошем положении для разработки устройств на основе холодной материи, способных охватить весь спектр потенциальных применений. К ним могут относиться датчики гравитации для усовершенствованной навигации, подводных исследований и мониторинга окружающей среды, а также новые возможности в области радиочастотного и инерционного измерения силы».

«Сегодня существует очевидная потребность в устойчивости, однако мы считаем, что наибольшее применение технологии найдут еще в тех областях, которые еще предстоит реализовать».

«Решение проблемы точности навигации заключалось — и до сих пор заключается — в точном определении времени». Источник: Aquark