Прорыв в точности навигации: новая технология уменьшит атомные часы до размеров микрочипа и обеспечит сантиметровую точность GPS в смартфонах

21.02.2025 20:33:00 | iXBT.com

Исследователи из Университета Пердью (США) и Технологического университета Чалмерса (Швеция) разработали технологию, которая может сделать оптические атомные часы компактными и доступными для широкого использования. Это решение основано на использовании микрогребёнок на чипе и может увеличить точность определения времени и географического положения в тысячу раз.

В настоящее время мобильные телефоны, компьютеры и GPS-системы получают точные данные о времени благодаря работе более 400 атомных часов по всему миру. Любые часы, будь то механические, атомные или умные, состоят из двух основных частей: осциллятора и счётчика. Осциллятор обеспечивает периодические колебания определённой частоты, а счётчик подсчитывает количество циклов осциллятора.

Источник: Chalmers University of Technology / Kaiyi Wu

Традиционные атомные часы используют микроволновые частоты для создания энергетических колебаний в атомах. Однако в последние годы учёные начали исследовать возможность использования лазеров для оптического возбуждения колебаний. Подобно линейке с большим количеством делений, оптические атомные часы позволяют разделить секунду на ещё более мелкие промежутки времени, что приводит к тысячекратному увеличению точности измерения времени и определения положения.

«Современные атомные часы обеспечивают работу GPS-систем с точностью позиционирования в несколько метров. С оптическими атомными часами можно достичь точности до нескольких сантиметров. Это улучшает автономность транспортных средств и всех электронных систем, основанных на позиционировании. Кроме того, оптические атомные часы могут обнаруживать минимальные изменения широты на поверхности Земли и использоваться для мониторинга, например, вулканической активности», – поясняет профессор Минхао Ци из Университета Пердью.

Ключевым элементом новой технологии являются микрогребёнки – миниатюрные устройства на чипе, способные генерировать спектр равномерно распределённых частот света. Исследователи смогли решить проблему подсчёта сверхвысоких частот колебаний (порядка сотен терагерц) с помощью системы из двух микрогребёнок с небольшим смещением частот между ними.

«Нам удалось решить проблему, объединив две микрогребёнки, частотные интервалы которых близки, но имеют небольшое смещение, например, 20 гигагерц. Это смещение служит тактовым сигналом, который можно определить электронным способом», – объясняет ведущий автор исследования Кайи Ву.

Новая система также включает интегральную фотонику, использующую компоненты на чипе вместо громоздкой лазерной оптики. Это позволяет уменьшить размеры и вес системы до миллиметров, что открывает возможности для массового производства.

«Мы надеемся, что будущие достижения в области материалов и технологий производства позволят ещё больше оптимизировать технологию, приближая нас к миру, где сверхточное измерение времени станет стандартной функцией в наших мобильных телефонах и компьютерах», – заключает Виктор Торрес Компани, профессор фотоники из Университета Чалмерса.

Подробнее