Квантовая метрология — Quantum metrology
Квантовая метрология — это исследование проведения высокочувствительных и высокочувствительных измерений физических параметров с использованием квантовой теории для описания физических систем, в частности, с использованием квантовой запутанности и квантового сжатия. Эта область обещает разработать методы измерения, обеспечивающие лучшую точность, чем те же измерения, выполняемые в классической системе. Вместе с проверкой квантовых гипотез он представляет собой важную теоретическую модель, лежащую в основе квантового восприятия.
СОДЕРЖАНИЕ
Математические основы
Основная задача квантовой метрологии — оценка параметра унитарной динамики θ
где — начальное состояние системы, — гамильтониан системы. оценивается на основе измерений на ϱ 0 <\ displaystyle \ varrho _ <0>> ЧАС <\ displaystyle H>θ <\ displaystyle \ theta>ϱ ( θ ) .
Обычно система состоит из многих частиц, а гамильтониан представляет собой сумму одночастичных членов
где действует на k-ю частицу. В этом случае взаимодействия между частицами нет, и мы говорим о линейных интерферометрах . ЧАС k <\ displaystyle H_
Достижимая точность ограничена снизу квантовой оценкой Крамера-Рао как
Примеры
Одним из примечательных примеров является использование состояния ПОЛДЕНЬ в интерферометре Маха – Цендера для выполнения точных фазовых измерений. Аналогичный эффект может быть получен с использованием менее экзотических состояний, таких как сжатые состояния . В атомных ансамблях спиновые сжатые состояния можно использовать для фазовых измерений.
Приложения
Важным приложением, заслуживающим особого внимания, является обнаружение гравитационного излучения в таких проектах, как LIGO или интерферометр Virgo , где необходимо производить высокоточные измерения относительного расстояния между двумя широко разделенными массами. Однако измерения, описываемые квантовой метрологией, в настоящее время не используются в этих условиях, поскольку их сложно реализовать. Кроме того, существуют и другие источники шума, влияющие на обнаружение гравитационных волн, которые необходимо преодолеть в первую очередь. Тем не менее, в планах может потребоваться использование квантовой метрологии в LIGO.
Масштабирование и эффект шума
Центральный вопрос квантовой метрологии заключается в том, как точность, то есть дисперсия оценки параметра, зависит от количества частиц. Классические интерферометры не могут преодолеть предел дробового шума
где — количество частиц. Квантовая метрология может достичь предела Гейзенберга, задаваемого формулой N
Однако, если присутствует некоррелированный локальный шум, то для большого числа частиц масштабирование точности возвращается к масштабированию дробового шума. ( Δ θ ) 2 ∼ 1 N . <\ displaystyle (\ Delta \ theta) ^ <2>\ sim <\ tfrac <1>
Отношение к квантовой информатике
Между квантовой метрологией и квантовой информатикой существуют тесные связи. Было показано, что квантовая запутанность необходима, чтобы превзойти классическую интерферометрию в магнитрометрии с полностью поляризованным ансамблем спинов. Доказано, что подобное соотношение в общем случае справедливо для любого линейного интерферометра, независимо от деталей схемы. Более того, все более и более высокие уровни множественной запутанности необходимы для достижения все более высокой точности оценки параметров.
Источник
Квантовая метрология
Схема получения связанных фотонных пар. Слева – желтый кольцевой резонатор, справа – интерферометры.
Сегодня физики напряженно работают над внедрением квантовой метрологии, которая уже успешно применяется в Лазерно-интерферометрической обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). LIGO состоит из двух обсерваторий: в Ливингстоне (штат Луизина) и в Хэнфорде (штат Вашингтон), расстояние между ними – 3002 км. Понятно, что подобные размеры неприменимы в обычной жизни, о чем писали сотрудники Массачусетского технологического института в статье «Квантовое преимущество в метрологии».
В арифметике не важно, умножаете ли вы 6 на 7 или 7 на 6, поскольку величины «коммутируют» друг с другом. Но в квантовой теории величины не коммутируют, поэтому повышение точности (разрешения) не требует заоблачных цен. Квантовое преимущество новой метрологии, по мнению авторов, проистекает из неклассической теории отсутствия коммутации. Квантовая метрология обещает более «зрячие» микроскопы и телескопы, точнейшее измерение магнитного поля Земли, что сулит создание нового поколения навигационных приборов и многое другое.
 |
| Анализ вещества с помощью лазера, справа внизу цилиндрический детектор. |
Мечта ученых – это квантовый компьютер. Прообразы этих устройств создаются сейчас во многих лабораториях по всему миру. Одно из них – квантовый компьютер Q5 (5 указывает на число используемых кубитов), пущенный не так давно в Йорктауне, что к северу от Манхэттена. Ученые сегодня ищут пути достижения заветной цели, поскольку для устойчивой работы квантового компьютера нужно объединить не менее 50 кубитов.
Один из подходов заключается в использовании гетерогенных материалов со спиновыми дефектами. Классический пример – так называемая азотная вакансия в алмазе. Она возникает в результате замещения одного из атомов углерода на азот в окружении электронных облаков, влияющих на спин электрона. В Аргоннской лаборатории и Чикагском университете предложили использовать не алмаз, а карбид кремния (SiC) с «допингом» в виде атома хрома. Ученым удалось показать точность и эффективность подхода в определении положения отдельных атомов. Результаты предварительных расчетов были затем смоделированы на квантовом компьютере Q5.
Другой подход связан с фотонами, преимущество которых заключается в том, что они в отличие от электронов не взаимодействуют друг с другом и окружающими атомами. Последние годы прошли под знаменем все возрастающих рекордов связности (энтенглмента) фотонов и электронов. Большая международная команда под руководством ученых из Научно-исследовательского института во французском Варене еще четыре года назад предложила использовать частотные решетки для получения связанных друг с другом мультифотонных квантовых состояний. Авторы статьи в журнале Science считали, что им удалось сделать большой скачок на пути создания квантовых компьютеров.
 |
| Хром (розовый шарик в центре) в спиновом дефекте. Белая стрелка показывает направление спина. Иллюстрации Physorg |
Сегодня их конкуренты из Сингапурского университета возлагают надежды на гетероструктуры, включающие железо, германий и теллур (Fe₃GeTe₂– GFT). Наночешуйки GFT толщиной 30 нанометров (нм) удерживаются вместе не с помощью химических связей, а слабыми физическими силами Ван-дер-Ваальса. Классический пример удержания твердотельных слоев с помощью этих сил – графит. Именно с его поверхности два наших нобелевских лауреата с помощью скотча «сняли» графен, представляющий собой монослой углеродных атомов.
Между слоями GFT был добавлен промежуточный слой хлористого хрома (CrCl3). Спариванием слоев управляли с помощью ворот подачи напряжения не выше 4,36 вольта. Сингапурцы надеются, что гетероструктуры с допингом позволят создать сверхчувствительные магнитные сенсоры и считывающие головки, а также иные устройства и приборы.
Источник
КВАНТОВАЯ МЕТРОЛОГИЯ
— наука об измерениях, базирующихся на квантовых явлениях. Осн. проблема К. м.- установление т. н. естеств. системы единиц физ. величин на основе фундам. констант [1, 2]. Гл. направления в К. м.: разработка и реализация квантовых эталонов (КЭ); установление соответствия между размерами единиц, воспроизводимых разл. КЭ, а также преемственности между ними и традиц. эталонами; выявление и изучение погрешностей КЭ, в т. ч. вызываемых ограничениями квантового характера (напр., неопределенностей соотношением);поиск квантовых явлений, в к-рых наиб. стабильно и с мин. погрешностью воспроизводятся значения фундам. констант и их комбинаций; уточнение и согласование их значений; развитие методов измерений с наивысшей точностью и мин. порогом чувствительности, основанных на квантовых явлениях.
КЭ единиц физических величин системы СИ. Единица времени (секунда) воспроизводится с помощью квантового цезиевого эталона частоты. Секунда определяется интервалом, в к-ром укладывается 9 192 631 770 периодов колебаний излучения, соответствующего квантовому переходу между уровнями сверхтонкой структуры атома 133 Cs с квантовыми числами F=4 и F=3. В состав национальных эталонов единиц времени и частоты помимо цезиевой атомно-лучевой трубки входят также КЭ на основе водородного генератора. Единица длины (метр). В течение более 20 лет единица длины поддерживалась с помощью КЭ на основе длины волны lизлучения 86 Кr. С 1983 12-й Генеральной конференцией по мерам и весам рекомендовано новое определение метра, основанное на соотношении l=cnи канонизированном значении скорости света в вакууме с=299 792 458 м/с. Для реализации эталона используют, как правило, гелий-неоновый лазер, частота генерации к-рого n измеряется с помощью КЭ секунды. Это позволяет связать эталоны единиц времени и длины (см. Оптические стандарты частоты).Единица силы тока (ампер) воспроизводится измерением магн. индукции методом ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на протонах или лёгких ядрах (напр., 4 Не). Магн. поле создаётся эталонной катушкой точно измеренной геом. конфигурации с рассчитываемым коэф. преобразования тока в индукцию поля. Воспроизведение ампера реализуется в соответствии с соотношением I=w/Kg’,где w — частота сигнала ЯМР, К— постоянная эталонной катушки, g’ — гиромагнитное отношение ядра. Для протонов g’ отличается от идеального значения g=2m р /h (m р — магн. момент протона) поправками
10 — 5 вследствие экранировки протона в сферич. объёме Н 2 0. Единица эдс (вольт) воспроизводится КЭ, основанном на Джозефсона эффекте[1, 3]; при этом используется соотношение
V = Nv(h/2e),(2)
где N — номер ступеньки на вольт-амперной характеристике джозефсоновского перехода (N
10 3 , целое число), n — частота эл.-магн. излучения, подаваемого на переход. Значение (h/2e )устанавливается в результате согласования значений фундам. констант [2]. Согласованное (1986) значение [4]: h/2e=2,06783461(61)310 — 15 Вб. Единица электрич. сопротивления (ом). В КЭ используется квантовый Холла эффект. Воспроизводимое квантованное значение сопротивления выражается соотношением
R=h/pe 2 (3)
где р — целое число (номер плато в квантовом эффекте Холла), отношение h/e 2 связано с безразмерной постоянной тонкой структуры:
где m 0 — магн. проницаемость вакуума. Значение a может быть установлено независимо от размеров единиц, поддерживаемых эталонами, напр., из измерений аномального магн. момента электрона. Согласованное (1986) значение: a — 1 =137,039895(61) [4].
Методы измерений с наивысшей точностью и минимальным порогом чувствительности. Наиб. широко применяется эффект Джозефсона. На основе сверхпроводящих квантовых интерферометров ( сквидов )разработаны методы измерений, порог чувствительности к-рых снижен вплоть до ограничений фундам. характера. Сюда относятся, напр., пиковольтметры (порог чувствительности 10 — 14 В), пикоамперметры (10 — 15 A), веберметр (10 — 19 Вб, т. е.
10 — 5 кванта потока). Из др. КЭ следует отметить эталоны, основанные на туннельном эффекте, позволяющем в сканирующем туннельном микроскопе достичь при исследовании профиля поверхности разрешающей способности порядка атомных размеров. Лит.:1) Современная система эталонов единиц электрических величин на основе фундаментальных физических констант и стабильных физических эффектов, М., 1977; 2) Квантовая метрология и фундаментальные константы. Сб. ст., пер. с англ., М., 1981; 3) Слабая сверхпроводимость. Квантовые интерферометры и их применения. [Сб. ст.], пер. с англ., М., 1980; 4) С о h е n Е. R., Taylor В. N., The 1986 adjustment of the fundamental physical constants, «Revs Mod. Phys.», 1987, v. 59, p. 1121; 5) Краснополин И. Я., Пудалов В.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Смотреть что такое «КВАНТОВАЯ МЕТРОЛОГИЯ» в других словарях:
Квантовая система — Квантовая механика Принцип неопределённости Введение . Математическая формулировка . Основа … Википедия
Квантовая теория — имеет следующие подразделы (список неполный): Квантовая механика Алгебраическая квантовая теория Квантовая теория поля Квантовая электродинамика Квантовая хромодинамика Квантовая термодинамика Квантовая гравитация Теория суперструн См. также… … Википедия
КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА — область физики, изучающая методы усиления и генерации эл. магн. колебаний и волн, основанные на использовании вынужденного излучения, а также св ва квант. усилителей и генераторов и их применения. Практич. интерес к оптич. квант. генераторам… … Физическая энциклопедия
Метрология — (от греч. μέτρον мера, измерительный инструмент + др. греч. λόγος мысль, причина) наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (РМГ 29 99). Предметом метрологии является извлечение… … Википедия
Квантовая механика — Квантовая механика … Википедия
Квантовая физика — Коллайдер Теватрон и кольца Главного инжектора Квантовая физика раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово механические и квантово полевые системы и законы их движения. Основные законы кванто … Википедия
Квантовая химия — Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. Квантовая химия это направл … Википедия
Квантовая теория поля — Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Квантовая теория поля (КТП) раздел физики, изучающий поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степ … Википедия
Квантовая электродинамика — (КЭД) квантовополевая теория электромагнитных взаимодействий; наиболее разработанная часть квантовой теории поля. Классическая электродинамика учитывает только непрерывные свойства электромагнитного поля, в основе же квантовой электродинамики… … Википедия
Квантовая полевая теория — Квантовая теория поля (КТП) раздел физики, изучающий поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степеней свободы, являющаяся теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и превращений. Именно на квантовой теории поля … Википедия
Источник
Методы квантовой метрологии
Наиболее эффективным способом повышения точности измерений является использование таких методов и средств измерений, которые свободны от многих видов погрешностей измерений и не требуют применения сложных методов коррекции. В этом отношении наиболее перспективными являются методы квантовой метрологии, основанные на квантовых эффектах, имеющих место на атомном и ядерном уровнях, а также бесконтактные спектрометрические (волновые) методы (особенно оптические), базирующиеся на естественных шкалах длин волн электромагнитного излучения [1].
Методы квантовой метрологииоснованы на использовании стабильных физических явлений и фундаментальных взаимодействий, обусловленных корпускулярно-волновой природой вещества и электромагнитного излучения. Большинство квантовых методов базируется на взаимодействии электромагнитного излучения с атомными частицами (атомы, электроны, протоны, атомные ядра и др.), находящимися в макроскопических количествах вещества. При этом используют главным образом макроскопические квантовые эффекты, т.е. такие эффекты и явления микромира, которые можно обнаружить на макроуровне. К ним относятся:
эффект Зеемана, заключающийся в расщеплении энергетических уровней атомных частиц на магнитные подуровни, создаваемые магнитным полем, и основанные на этом эффекте квантовые магниторезонансные явления;
эффекты Джозефсона и квантования магнитного потока, обусловленные макроскопическими квантовыми состояниями свободных электронов (куперовских пар) в сверхпроводниках;
квантовый эффект Холла, заключающийся в квантовании холловской проводимости (отношение тока через образец к напряжению Холла), имеющий место в сильных магнитных полях;
эффект Мессбауэра – ядерный гамма-резонанс, основанный на резонансном поглощении γ-квантов без отдачи энергии, и др.
Исходным для описания многих используемых физических явлений является известное квантовомеханическое соотношение Е= hf, в котором постоянная Планка h как бы перебрасывает мост между микро- и макромиром. При этом энергия Е является микроскопической характеристикой квантовых переходов между энергетическими уровнями микрочастиц, а частота f (или длина волны λ) излучения – макроскопической величиной, доступной измерению.
Квантовые методы и соответствующие средства измерений отличаются высокими метрологическими характеристиками и уникальными свойствами, которые обусловлены стабильностью физических явлений, лежащих в их основе. Функции преобразования квантовых измерительных преобразователей и приборов базируются на фундаментальных законах микромира и квантовомеханических соотношениях. Поэтому во многих случаях в качестве коэффициентов преобразования таких средств измерений выступают фундаментальные физические константы, обычно известные с высокой точностью, или коэффициенты, поддающиеся точному теоретическому расчету. Это кроме высокой точности преобразования обеспечивает переход к абсолютным измерениям и повышение метрологической надежности средств измерений, поскольку такие средства измерений не нуждаются в градуировке и периодической поверке.
Использование физических явлений, происходящих на атомном или ядерном уровнях, т.е. в недрах атома, позволяет создавать высокочувствительные средства измерений с порогом чувствительности, равным кванту энергии одной или небольшого ансамбля атомных частиц. По этой же причине метрологические характеристики квантовых приборов мало или вообще не зависят от изменений внешних факторов. При этом чем более глубинные явления используются, тем меньше эта зависимость. Квантовые преобразователи обычно не искажают состояния объекта исследования. В качестве информативного параметра выходного сигнала квантовых средств измерений во многих случаях выступает частота, являющаяся наиболее точно измеряемой физической величиной, которую легко, без искажений можно передавать на большие расстояния. Это позволяет сделать общедоступной высокую точность измерения не только в метрологической практике, но и при технических измерениях.
Квантовые методы уже нашли применение в метрологии для создания естественных эталонов единиц ряда физических величин. На их основе уже созданы эталоны единиц длины, времени и частоты, электрического напряжения, магнитной индукции, вторичный эталон температуры. Проводятся исследования по созданию естественных эталонов единиц массы на основе уточнения значения числа Авогадро, электрического сопротивления на основе квантового эффекта Холла, силы тока на основе ядерного магнитного резонанса и др.
Совершенствование квантовых методов и их сочетание с современной элементной базой позволяют на их основе создавать не только высокоточные эталоны единиц физических величин, но также образцовые и рабочие средства измерений с уникальными характеристиками, которые не могут быть получены на основе применения классических методов.
Многие квантовые методы, в частности основанные на явлениях магнитного резонанса, ядерного квадрупольного резонанса, эффекте Мессбауэра, относятся к категории резонансных, поскольку в их основе лежит резонансное взаимодействие электромагнитного излучения с системой атомных частиц. Их применение позволяет создавать высокоточные средства измерений, обладающие высокой чувствительностью, свойственной резонансным методам.
Источник
научная статья по теме КВАНТОВАЯ МЕТРОЛОГИЯ Энергетика
Текст научной статьи на тему «КВАНТОВАЯ МЕТРОЛОГИЯ»
Главный редактор — д-р техн. наук, проф. В. Ю. Кнеллер
Кратко рассмотрены возможности применения достижений квантовой физики и использования уточненных значений фундаментальных физических констант для повышения точности эталонов основных и производных единиц СИ. Отмечено, что квантовая метрология является мощной базой развития прецизионного приборостроения. Изложены некоторые ее достижения и тенденции ее развития, особенно в такой бурно прогрессирующей области, как криоэлектроника.
ЖУРНАЛ В ЖУРНАЛЕ
Автоматизация: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ
Квантовая метрология — это раздел метрологии, в котором решается проблема создания эталонов и прецизионных средств измерений на основе стабильных квантовых явлений и фундаментальных физических констант (ФФК). Основная задача метрологии как науки об измерениях — дать возможность измерять все используемые учеными и практиками величины с требуемой точностью. Для этого необходимо создать систему эталонов, т. е. исходных средств измерений, обеспечивающих воспроизведение, хранение и передачу размера единиц физических величин другим средствам измерений.
Очевидно, что первичный эталон должен обладать возможно наивысшими стабильностью и точностью, число промежуточных звеньев между ним и потребителем желательно уменьшить, надо обеспечить наименьшую потерю точности при спуске по этажам метрологической пирамиды [1].
К теоретической метрологии относятся исследования общего характера, связанные с выполнением измерений и обеспечением единства измерений. Последнее охватывает теорию единиц и систем единиц физических величин, теорию воспроизведения единиц и исходных средств измерений (эталонов), теорию передачи размеров
величин. Для решения актуальных метрологических задач и создания современной эталонной базы в число основных понятий вводятся понятия и принципы квантовой физики, на основе которых разрабатываются так называемые естественные эталоны единиц физических величин.
Квантовая метрология — перспективный раздел метрологии, связанный с исследованиями и практическими применениями макроскопических квантовых явлений. Напомним, что в международной системе СИ такие единицы, как метр и секунда, уже базируются на использовании ФФК и квантовой физики (эталон частоты). И именно этот эталон обладает наивысшей точностью, оцениваемой на сегодняшний день значением погрешности 3- 10-15 (табл. 1) [2].
Основные достоинства таких эталонов:
— значения естественных эталонных мер однозначно фиксируются законами природы вне всякой связи с человеком и его деятельностью;
— универсальность, доступность и относительно высокая стабильность.
Ими может воспользоваться любой человек, обладающий определенными навыками и имеющий в своем распоряжении соответствующие технические приспособления.
Если сопоставить данные, указанные в табл. 1, с данными, опубликованными в 1978 г. [3], то лег-
ко заметить, насколько велики достижения метрологии за эти годы. И в большинстве своем они связаны с развитием квантовой метрологии. Правда, это утверждение нуждается в комментариях, которые будут сделаны ниже. Однако проблема повышения точности эталонов и даже пересмотра системы единиц СИ остается актуальной [4, 5].
Еще с большей остротой стоит задача повышения чувствительности и точности измерений физических величин с целью более достоверной и ранней диагностики и требований обеспечения качества продукции, что заставляет шире использовать новые физические явления. И здесь как раз просматривается перспективность макроскопических явлений квантовой физики. Из изложенного следует, что квантовая метрология базируется на возможностях квантовой физики и уточненных значениях фундаментальных физических констант, позволяет повышать точность эталонов основных и производных единиц СИ и является мощной базой развития прецизионного приборостроения.
Квантовая метрология обладает столь большим потенциалом, что нуждается в пристальном внимании специалистов. Некоторые ее разделы, особенно, связанные с криоэлектроникой, бурно развиваются за рубежом и в результате уже создана широкая гамма серийных прецизионных измерительных преобразователей, устройств и систем. Они перестали быть "экзотикой" и все шире и эффективнее применяются. Недавно появилась монография уже по ядерной электронике [6], в которой последовательно излагаются новые достижения в создании сверхчувствительных измерительных преобразователей и устройств; особого внимания заслуживает и обзор [7].
Цель настоящей статьи заключается в привлечении внимания специалистов к квантовой метрологии и рассмотрении некоторых ее достижений и тенденций развития.
В статье сделан определенный крен в область криоэлектроники, который можно считать оправданным в силу многих причин:
Погрешности воспроизведения основных единиц системы СИ
— криоэлектроника позволяет кардинально снизить уровень тепловых шумов и соответственно повысить чувствительность измерительные преобразователей и устройств до уровня входной энергии сигнала менее 50h, где h — постоянная Планка;
— в криоэлектронике устраняется "тирания межсоединений", а, следовательно, и потери по быстродействию и на тепловыделение в межсоединениях;
— достижения современных технологий, включая нанотехнологию, позволяют создавать различные чипы и матрицы из сверхпроводящих квантовых интерференционные устройств — сквидов (от англ. SQUID — Superconducting Quantum Interference Device) — с весьма высокой степенью концентрации, сверхбольшим быстродействием и уникально низким потреблением энергии;
— уже получены решения по сочленению криоэ-лектроники с полупроводниковой электроникой и просматриваются перспективы создания устройств функциональной электроники, позволяющих с большой скоростью обрабатывать большие массивы информации;
— прогресс в создании замкнутых криосистем и повышение их надежности снижают барьеры к их практическому применению;
— достижения в области высокотемпературной сверхпроводимости хотя и медленно, но неуклонно растут;
— эффекты, наблюдаемые в условиях сверхпроводимости, позволяют уточнять численные значения ФФК, повышать их стабильность, расширять и углублять наши познания в физике1. К сожалению, большинство отечественных
школ по криоэлектронике распались. Это относится и к мощной школе профессора К. К. Лихарева в МГУ. Далее кратко рассмотрим эталоны1 базовых и других величин системы СИ, на точность которых повлияла квантовая метрология, а затем измерительные преобразователи и устройства, позволяющие решить многие измерительные задачи.
ЭТАЛОНЫ ОСНОВНЫХ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В соответствии с Резолюцией 1 XVII ГКМВ 1983 г., метр определен как длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 с. Гелий-неоновый лазер в инфрак-
1 В своей нобелевской лекции в 1998 г. Р. Лафлин отметил, что детальное изучение квантового эффекта Холла привело к "глубокому и серьезному вызову привычному описанию Вселен-ной"[8].
Величина Единица Погрешность
Длина метр 10"12
Время секунда 3-10"15
Сила электрического тока ампер 4 • 10"8
Термодинамическая температура кельвин 3 • 10"7
Количество вещества моль 8 • 10"8
Сила света кандела 10"4
расном диапазоне (0 = 3,39 мкм), стабилизированный молекулами метана, был реализован еще в 1972 г. Заметим, что в методе стабилизированного лазера в качестве стандарта выбирается линия излучения молекулы, а гелий-неоновый лазер обеспечивает только большую интенсивность излучения. Появились лазерные устройства с длиной когерентности более 50 км, позволившие осуществить точные замеры больших расстояний. Сам метр определяют косвенными методами. Для этого пришлось создать так называемые радиооптические мосты.
Во ВНИИФТРИ были проведены высокоточные абсолютные измерения частот лазеров в оптическом (инфракрасном) диапазоне. С этой целью была предложена и реализована схема переноса эталонных частот от цезиевого стандарта в оптическую область спектра. Это сложные комплексы, состоявшие до последнего времени из ряда последовательно расположенных радиотехнических генераторов и лазеров с умножителями частоты между ними. Они позволяют определять значения частот стабилизированных лазеров с погрешностями, сравнимыми с погрешностью цезиевых реперов частоты. Один из радиооптических мостов был создан в России во ВНИИФТРИ.
Эти работы и сопоставление результатов оценки метра в разных странах и привели к точности определения метра до значения погрешности, указанного в табл. 1.
Определение секунды с 1967 г. связано с числом колебаний цезиевого атомного стандарта частоты [3]. Цезий обладает рядом достоинств:
— сравнительно низкая температура плавления цезия позволяет получить узкую резонансную линию;
— атомы цезия весьма эффективно детектируются с помощью раскаленной вольфрамовой проволочки;
— доплеровское уширение наблюдаемой частотной линии практически отсутствует. Указанные достоинства в совокупности с новыми решениями привели к снижению погрешности до 3 • 10-15. К таким решениям следует отнести следующие.
• Создание усовершенствованной установки (Эссен и Саткли), в которой на каждом конце атомно-лучевой трубки расположены и печь, и детектор. Реверсируя направление распространения пучка через резонаторы путем попеременного включения различных пар "печь- детектор" (это переключение оказалось возможным осуществлять с довольно большой скоростью), удалось подтвердить существование асимметрии, которая далее корректировалась.
• Низкочастотная модуляция радиочастоты осуществляет "сканирование" характеристик детектора вблизи пика. При этом можно добиться совпадения средней частоты эталона с частотой пика линии с помощью следящей системы; в результате получается генератор, работающий в непрерывном режиме на частоте, стабилизированной по цезиевому пучку. Источники погрешностей тщательно изучаются.
С 1990 г. введена новая Международная шкала температур (МПТШ-90), которая значительно ближе (примерно на порядок) к истинной термодинамической температуре, чем шкала
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.
Источник