Космические зонды и орбитальные телескопы работают вне «энергетического зонтика» Солнца, поэтому каждый ватт мощности на борту — на вес золота. Новое исследование команды TU Wien предлагает решение: автономные квантовые часы, чья точность растет экспоненциально, а тепловые потери — лишь логарифмически. Иными словами, за ту же частицу энергии можно получить в тысячи раз лучшую стабильность, чем позволяют нынешние принципы.
Как работает «двухступенчатый» механизм
Когерентный контур: квантовая частица без потерь вращается по кольцу — это быстрый и термодинамически бесшумный режим
Диссипативный узел: только когда частица проходит через одну контрольную точку, система фиксирует «ток» и высвобождает минимум энтропии.
Сочетание дает часы, в которых каждый дополнительный бит потерь приносит арифметически больше прироста точности, чем в обычных атомных или оптических эталонах.
На схеме показана идея «двухступенчатых» квантовых часов:
- (а) — «мультикольцо» из десятков «чашечек»-резонаторов. Одна квантовая частица движется по кругу; когда она делает полный оборот, часы «тикают». Огонь и лед обозначают теплый и холодный контакты, которые задают направление движения.
- (b) — упрощенная энергетическая диаграмма одной из «чашек», которая показывает, как тепловой градиент заставляет частицу прыгать вперед, а не назад.
- (c) — график: синяя ступенька показывает, как счетчик тиков растет почти равномерно со временем; серый коридор — небольшая статистическая погрешность.
- (d) — другой график, где синие точки — это сила связи между соседними «чашками», которая сначала плавно растет, затем становится равной, а в конце снова немного меняется, чтобы волна не отражалась назад.
Почему это критично для астрономии
Для миссий на периферии Солнечной системы или на орбитах точное время — это синхронизация лазерных дальномеров, интерферометрия и гравиметрические эксперименты. Переход от ватт к микроваттам позволяет:
- разместить часы в небольших кубсат-группах для длительных VLBI-наблюдений;
- уменьшить массу и тепловыделение на борту гелиофизических аппаратов;
- повысить чувствительность детекторов гравитационных волн — меньше шума, выше Q-фактор оптических полостей.
Сверхточные, но «холодные» хронометры нужны везде, где энергобюджет ограничен: в квантовых сетях, автономных сенсорах, медицинских имплантатах и портативных навигационных системах. Потенциально такая технология может даже войти в новый международный эталон секунды, который сейчас готовят к утверждению в 2030-х годах. Таким образом, квантовые часы могут стать базовым модулем навигации и научных экспериментов в глубоком космосе, где энергия и стабильность времени равны успеху миссии.
Когда эта и другие технологии смогут быть реализованы в реальных космических миссиях — читайте в нашем материале «Космические миссии 2025: самое важное, что человек будет делать в космосе в этом году».
