Осуществлена сверхстабильная передача частоты

Группа французских исследователей научилась передавать частоту эталонного сигнала с неслыханной ранее относительной точностью — 10^–17.

Для некоторых экспериментов в современной физике (например, для проверки зависимости фундаментальных физических констант от времени) требуется источник сигнала определенной, как можно более стабильной, частоты. Усовершенствование существующих эталонов частоты позволит достичь в ближайшем будущем относительной стабильности 10^–17 и даже лучше (образно говоря, это часы, которые ошибаются на 1 секунду за всё время жизни Вселенной), что вполне достаточно для этих экспериментов. Однако такие эталоны столь громоздки, что не допускают транспортировки. Поэтому возникает задача передачи опорного сигнала к месту проведения эксперимента, причем без ухудшения его частотной стабильности.

Даже самые точные из переносных часов — «цезиевый фонтан» — способны держать частоту лишь на уровне 10^–15 (фото с сайта tf.nist.gov)

Использовавшиеся до сих пор способы передачи опорной частоты с этой задачей справиться не могут. Пересылка сигнала с помощью спутниковый систем глобального позицонирования (GPS), даже с помощью самых изощренных технологий передачи и приема, приводит к флуктуациям полученной частоты (при усреднении за сутки) на уровне хуже, чем 10^–15. Такой же точностью обладают и самые лучшие переносные атомные часы (при такой схеме часы сначала синхронизируются с опорным сигналом, а затем переправляются к месту эксперимента; см. [2]).

Как сообщается в недавно опубликованной в Physical Review Letters статье C. Daussy et al., Phys. Rev. Lett. 94, 203904 (статья находится в свободном доступе в архиве е-принтов quant-ph/0506143), группа исследователей из Франции (среди которых есть и физик из Новосибирска) разработала способ передачи сигнала с требуемой частотной стабильностью. Самое поразительное — что для этого не пришлось конструировать никаких принципиально новых устройств. Рекорд был установлен с помощью самого обычного оптоволокна, дополненного схемой компенсации шумов.

Исследователи проложили линию из двух параллельных оптоволокон между метрологическим центром SYRTE, который находится в центре Парижа, и Лабораторией лазерной физики LPL, расположенной в пригороде Парижа, на расстоянии 43 км от SYRTE. Пуская опорный микроволновой сигнал из SYRTE одновременно по обоим каналам, ученые измеряли на другом конце флуктуации фазы каждого из каналов. Было отмечено, что флуктуации фазы сигналов, пришедших по обоим каналам, сильно скоррелированы. Значит, они были вызваны какими-то внешними воздействиями — пусть неконтролируемыми, но довольно медленно изменяющимися. А раз так, их можно скомпенсировать.

Были разработаны две схемы компенсации. В одной опорный сигнал шел сначала из SYRTE в LPL и тут же пересылался обратно в SYRTE. Там результат сравнивался с исходным сигналом и находилась фазовая флуктуация, отвечающая полному пути «туда—обратно». Ровно половина этой флуктуации вычиталась с помощью электроники, сигнал передавался вновь, и в результате в LPL попадал уже откорректированный сигнал с сильно подавленными флуктуациями (а значит, с очень стабильной частотой).

Вторая схема отличалась лишь тем, что коррекция осуществлялась не электронным, а механическим образом — непосредственным воздействием на оптоволокно: кратковременные флуктуации компенсировались ... легким натяжением участка оптоволокна, а долговременные — его нагреванием или охлаждением.

По словам авторов, обе схемы давали примерно одинаковую стабилизацию передачи частоты. При усреднении за 1 секунду вносимая линией погрешность составляла примерно 10^–14, что сравнимо с другими методиками, однако при усреднении сигнала за сутки точность передачи частоты повышалась до недоступного ранее значения 10^–17.

Авторы работы не собираются останавливаться на достигнутом. В их планы входит усовершенствование механизма компенсации (это позволит подавить высокочастотные шумы), а также запуск в эксплуатацию более длинных оптоволоконных сетей.

См. также:
[1] О зависимости фундаментальных констант от времени см. Эволюция фундаментальных констант со временем
[2] Об атомных стандартах частоты см. главу Атомное время из книги Сферическая астрономия, а также Иллюстрированный глоссарий по измерению времени и частоты (англ.)

Игорь Иванов