15.3.2019 08:30 | Veda

Atómové hodiny v smartfóne? Vedci už nie sú ďaleko a možno nahradia GPS

Atómové hodiny prídu aj do smartfónov.

Vedcom zo Sussexskej univerzity v Anglicku sa podarilo výrazne vylepšiť technológiu atómových hodín. V blízkej budúcnosti sa môžu stať prenosnými.

Využitie nájdu v zariadeniach na určovanie presnej polohy.

Pri mapovaní územia sa obídu bez satelitných navigačných systémov GPS alebo Galileo a presnú polohu dokážu určiť aj v oblastiach, kde sú satelitné signály nedostupné.

Štúdiu publikoval vedecký žurnál Nature Photonics.

Hrozba v GPS, riešenie v INS

V súčasnosti si určenie polohy bez GPS nevieme predstaviť. Satelitné signály sa však nedostanú všade a dajú sa rušiť. Potenciálna zraniteľnosť takéhoto systému sa stáva tým väčšou hrozbou, čím viac aplikácií od neho závisí.

Bezpečnejším riešením môžu byť alternatívne spôsoby určovania polohy, ktoré primárne nepotrebujú satelitné signály. Využívajú takzvané inerciálne navigačné systémy (INS), v ktorých sa poloha od referenčného bodu určuje vďaka akcelerometrom a gyroskopom.

Ak sa ale takéto zariadenia pohybujú dlhší čas, do celkového výsledku sa premietne akumulovaná chyba, závisiaca od miery presnosti zariadenia.

Súčasné INS prístroje sa kvôli nedostatočnej presnosti musia po relatívne malých vzdialenostiach opätovne rekalibrovať. Ich presnosť úzko súvisí so schopnosťou presne merať veľmi malé časové úseky.

Dobré výsledky by sa dali dosiahnuť pomocou atómových hodín. Sú však zatiaľ príliš rozmerné na to, aby sa dali použiť v praktických prenosných zariadeniach.

Správny čas je kritický pre presné určenie polohy cez GPS.
Čítajte aj Niektoré GPS zariadenia môžu mať v apríli problém, systému pretečie čas

Mapovanie terénu bez pomoci z vesmíru

Vedci zo Sussexu vyvinuli prelomovú technológiu, vďaka ktorej to možné bude.

„Náš prelom vylepšuje účinnosť počítadla časových úsekov v hodinách o 80 percent. Znamená to, že sme sa opäť o krok priblížili k prenosným atómovým hodinám. Vďaka nim by sme mohli do 20 rokov nahradiť satelitné určovanie polohy pomocou systémov GPS alebo Galileo. Táto technológia zmení náš každodenný život a rovnako aj aplikácie v autonómnych autách, dronoch a leteckom priemysle,“ povedala členka výskumného tímu Alessia Pasquaziová.

„S prenosnými atómovými hodinami sa môžu napríklad záchranné zložky orientovať v tuneloch, budú sa dať plánovať trasy v podzemí alebo na územiach bez mobilného signálu. Presné mapovanie terénu bude možné aj bez satelitných signálov,“ dodáva Alessia.

Cestovanie v čase má ešte čas.
Čítajte aj Zákony fyziky v troskách? Vedcom sa podarilo „otočiť smerovanie času“...

Extrémne oscilácie a frekvenčné hrebene

Optické atómové hodiny sú najpresnejšími zariadeniami na meranie času. Produkujú menej ako jednosekundovú chybu každých desať miliárd rokov. Sú to však masívne zariadenia, vážiace stovky kilogramov. Pre praktické využitie v bežnom živote je potrebné výrazne znížiť ich veľkosť a zachovať ich pôvodnú rýchlosť a presnosť.

V tradičných hodinách sa časová jednotka určovala pomocou kyvadla. V optických atómových hodinách je takým superrýchlym kyvadlom oscilácia atómu. Jeho kmity sú nepredstaviteľne rýchle, s frekvenciou až stoviek biliónovkrát za sekundu, pričom dochádza k vyžarovaniu elektromagnetického vlnenia.

Na počítanie atómových oscilácií sa využíva takzvaný optický frekvenčný hrebeň. Produkuje ho špecializovaný laser, vyžarujúci množstvo lúčov s rovnomerne rozloženými frekvenciami.

Optické frekvenčné hrebene sa dajú miniaturizovať pomocou optických mikrorezonátorov. Tieto zariadenia sa už využívajú v množstve aplikácií. Sú ale veľmi chúlostivé a nedá sa s nimi počítať v prenosných atómových hodinách.

Znázornenie šírenia pulzov na čipe. fotogaléria / 2
Znázornenie šírenia pulzov na čipe. Zdroj: EPic Lab, University of Sussex

Atómové hodiny do smartfónov

Nový prístup spočíva vo vytvorení „mikrohrebeňa“, založenom na špeciálnej vlne s názvom „solitón laserovej dutiny“.

„Solitóny sú špeciálne vlny, ktoré sú obzvlášť odolné voči rušeniu. Napríklad tsunami sú vodné solitóny. Môžu cestovať bez prekážok na neuveriteľné vzdialenosti. Po zemetrasení v Japonsku v roku 2011 došli niektoré z nich až k pobrežiu Kalifornie,“ vysvetľuje Alessia

Namiesto vody sa v tomto prípade využívajú svetelné pulzy, privedené pomocou bežných optických vlákien do mikrodutiny na čipe. Svetelné solitóny dokážu vytvoriť v mikrodutine množstvo optických frekvencií. Celý systém je dostatočne stabilný a kontrolovateľný, podobne ako sú systémy s pulznými lasermi.

Na základe tejto novej technológie je možné vyrobiť prenosné atómové hodiny. Vedci očakávajú, že v leteckom priemysle by sa mohli uplatniť už do piatich rokov. V autonómnych autách a smartfónoch v priebehu 20 rokov.

Diskusia 7 Príspevkov