Фізики у Кореї у 50 разів уточнили ключову частоту стронцію

20 жовтня 2026 р. 00:07

20 жовтня 2026 р. 00:07

Корейський інститут стандартів і науки (KRISS) вперше з 1938 року заново виміряв ключову частоту оптичного переходу атома стронцію, досягнувши більш ніж у 50 разів меншої невизначеності , ніж у попередньому значенні. Як повідомляє Newswise Science News , це створює нову еталонну частоту, необхідну для наступного покоління квантових технологій — від атомних годинників до квантових комп’ютерів на нейтральних атомах.

Стронцій широко застосовують у високоточних квантових пристроях, зокрема в оптичних ґраткових годинниках та квантових сенсорах. Щоб використовувати такі атоми, їх потрібно сповільнити й захопити лазерним випромінюванням, налаштованим точно в резонанс із певним атомним переходом. Для цього критично важливо знати абсолютну резонансну частоту з дуже малою похибкою.

Чому старе значення вже не підходило

Попереднє значення частоти було отримане ще у 1938 році шляхом порівняння сонячного спектра зі спектром дугового розряду стронцію. Для свого часу це був прогрес, однак невизначеність виявилася надто великою для сучасних задач, де лазери налаштовують із надзвичайною точністю.

Через це дослідникам доводилося фактично «на дотик» підкручувати частоту лазера, спостерігаючи реакцію атомів, подібно до того, як у старих аналогових радіоприймачах повільно обертали ручку, щоб точно налаштуватися на станцію. З розвитком технологій контролю й вимірювання частоти світла та прагненням до мініатюризації квантових пристроїв потреба в точному абсолютному значенні лише зростала.

Новий вимір: синє світло на 461 нм

Команда KRISS зосередилася на оптичному переході стронцію з довжиною хвилі 461 нанометр — це синя ділянка спектра, яку активно використовують для охолодження й захоплення атомів. Після річної серії високоточних вимірювань дослідники зменшили невизначеність до близько 5 мегагерців , що більш ніж у 50 разів краще за історичне значення.

Важливо, що нове значення прив’язане до національного еталона часу й частоти — Корейського стандартного часу, який формує й підтримує KRISS. Оскільки цей еталон пов’язаний із Міжнародною системою одиниць (SI), нову частоту можна надійно порівнювати й використовувати в будь-якій лабораторії світу, незалежно від обладнання.

Фотонний ґратковий чип: стабільність на кристалі

Ключовим елементом, що підвищив стабільність вимірювань, став фотонний ґратковий чип , розроблений KRISS спільно з KAIST та Національним нанофабрикаційним центром (NNFC). На його поверхні створено тонку ґраткову структуру, яка всередині вакуумної камери дифрагує та відбиває світло в заданих напрямках.

На відміну від традиційних оптичних схем із багатьма зовнішніми дзеркалами, така інтегрована конструкція значно зменшує вплив механічних вібрацій і, відповідно, похибки вимірювань. До того ж один чип може формувати лазерні промені в кількох напрямках, спрощуючи оптичну систему.

Два незалежні методи для перевірки результату

Зменшивши технічні похибки, команда визначила частоту переходу двома незалежними методами, що ґрунтуються на різних фізичних принципах. Це дозволило перевірити надійність результату.

• У першому методі аналізували, як атоми стронцію реагують на світло залежно від частоти лазера, відстежуючи просторовий розподіл їхнього світіння (флуоресценції).
• У другому методі частоту виводили з розподілу швидкостей атомного пучка, який сповільнювали лазерами в двовимірній магніто-оптичній пастці.

Отримані значення збіглися в межах їхніх похибок. Остаточну частоту обчислили, врахувавши невизначеність кожного методу відповідно до міжнародних рекомендацій у галузі метрології.

Що це дає квантовим технологіям

Нове абсолютне значення частоти можна використовувати як еталон для точного охолодження, захоплення й керування атомами в оптичних ґраткових годинниках на стронції, квантових сенсорах і квантових комп’ютерах на нейтральних атомах. У поєднанні з технологіями оптичного синтезу частот, які зараз розробляють, це дозволяє відмовитися від громіздких зовнішніх атомних еталонів частоти.

Такі рішення, за оцінками авторів, мають прискорити мініатюризацію та комерціалізацію квантових пристроїв на холодних атомах. Керівник дослідження, д-р Чже Хун Лі (Jae Hoon Lee) з групи атомного квантового сенсингу KRISS, підкреслює, що головна цінність роботи — не просто в повторному вимірюванні однієї частоти, а в тому, що завчасно створено точну еталонну точку для майбутніх квантових технологій.

Дослідження виконали за підтримки програми спеціалізованої лабораторії надточних квантових вимірювальних сенсорів, що фінансується оборонними відомствами Південної Кореї. Результати опубліковано в липні в журналі Metrologia, одному з провідних міжнародних видань у галузі вимірювальних стандартів.

Наука