Агентство DARPA объявило о новой инициативе под названием Robust Optical Clock Network (ROCkN), в рамках которой планируется разработать практичные, сверхточные оптические атомные часы, достаточно надежные и компактные, чтобы поместиться в военном самолете, боевом корабле или транспортном средстве. 

 

Наш мир существует благодаря времени, но мы часто не знаем, насколько точно оно течет. В золотой век железных дорог компании стремились к тому, чтобы поезда прибывали по расписанию с точностью до минуты. Сегодня мы считаем, что если часы идут с точностью до секунды, то они идеальны, но для современных инженеров и ученых такой уровень точности столь же приемлем, как если бы они делали операцию на мозге с помощью сваебойного экскаватора.

Современные системы, такие как Интернет, GPS и многие другие, используют точность измерения времени не в секундах и даже не в миллисекундах, а в наносекундах. В инженерных областях это необходимо для того, чтобы все цифровые системы были правильно синхронизированы.  В противном случае было бы невозможно пересылать данные из одного места в другое, при этом большая часть информационных пакетов либо терялась в пути, либо доходила в виде бессмысленного набора символов. 

В случае с военными технологиями все обстоит намного серьезнее. Сегодня современная армия все активнее использует возможности ведения кибервойн, где также необходима сверхточная синхронизация. Но даже в обычных боевых действиях требуется точность наносекундного уровня, поскольку современные военные средства должны действовать на предельных расстояниях, с предельной скоростью и наносить удары с исключительной точностью.

Ошибка в миллиардную долю секунды приведет к тому, что реактивный снаряд не попадет в точно заданные координаты, а упадет на 1 метр ближе или дальше цели, что неприемлемо по современным стандартам или же подобная погрешность вызовет опасное отклонение самолета от курса. 

Другая причина заключается в том, что современные военные в значительной степени зависят от GPS как для навигации, так и для синхронизации времени. При этом системы GPS не всегда доступны. Сигнал GPS можно заглушить или подделать, поэтому военные технологии должны работать независимо от этой системы в течение коротких промежутков времени.

Для достижения необходимой точности, основным решением были атомные часы, работа которых основана на измерении частоты атомов цезия при изменении их энергетического состояния. Используя эту частоту в качестве отправной точки, стало возможным достичь накоплению ошибки в 1 секунду за 31,71 миллиона лет. 

Но даже это недостаточно точно. Необходимы часы с точностью до триллионной доли секунды и поэтому в течение последних 30 лет учёные постоянно совершенствовали технологию атомных часов. Сегодня современные атомные часы работают с помощью пучка микроволн и измеряют частоту целевых колебаний атомов, но если заменить микроволны световыми, точность увеличится в 100 раз. По сути, такие оптические часы будут настолько точны, что не потеряют и доли секунды за все время существования Вселенной.

Такие оптические атомные часы уже существуют, но пока это огромные, хрупкие машины, которые заполняют целые машинные залы и непрактичны для использования в военных целях. Цель программы DARPA ROCkN - изучить физические принципы работы оптических часов и найти способ создания подобных инструментов малых размеров, веса и мощности (SWaP). При этом они должны быть точнее и надежнее всех современных атомных часов.

Сегодня специалисты ROCkN разрабатывают надежный высокоточный портативный прибор  способный поддерживать пикосекундную точность в течение 100 секунд. Такие часы будут достаточно малы для установки на самолетах  или спутниках и достаточно прочны, чтобы выдержать воздействие температур, ускорений и вибрационных шумов, возникающие в таких условиях.

Второй этап будет направлен на создание более крупной транспортабельной версии, которая может быть использована на корабле ВМС или в полевых условиях. Такой прибор будет работать с точностью до наносекунды в течение 30 дней в отсутствие внешнего сигнала GPS.

"Цель состоит в том, чтобы перевести оптические атомные часы из сложных лабораторных комплексов в небольшие и надежные версии, которые могут работать вне лаборатории", - сказала Татьяна Курчич, руководитель программы в отделе оборонных наук DARPA. "Если мы добьемся успеха, эти оптические часы обеспечат 100-кратное увеличение точности, или уменьшение ошибки синхронизации, по сравнению с существующими микроволновыми атомными часами, и продемонстрируют повышенную точность синхронизации наносекундных часов от нескольких часов до месяца. Эта программа может создать многие важнейшие технологии, компоненты и показать потенциальную архитектуру сетевых часов будущего".

Источники: DARPA    
https://www.darpa.mil/news-events/2022-01-20
https://www.nist.gov/news-events/news/2015/04/getting-better-all-time-jila-strontium-atomic-clock-sets-new-records