Ядерные часы России: сверхточность для навигации будущего

В России учёные Национального центра физики и математики (НЦФМ) в Сарове разрабатывают ядерные часы на основе изомерного перехода в ядре тория-229, которые станут самыми точными в мире. Эта технология, превосходящая атомные часы, улучшит навигационные системы, такие как ГЛОНАСС, и откроет новые горизонты в фундаментальных исследованиях.

В десятки раз точнее современных стандартов

В 2025 году Национальный центр физики и математики в Сарове при поддержке Росатома и НИЯУ МИФИ начал разработку ядерных часов, использующих изомерный переход в ядре тория-229. В отличие от атомных часов, основанных на электронных переходах атомов цезия, ядерные часы используют колебания ядерного изомера, что обеспечивает стабильность на уровне 10^-19. Это делает их в десятки раз точнее современных стандартов. Торий-229 выбран из-за низкой энергии перехода — около 8 эВ, что позволяет применять оптические методы для возбуждения и измерения.

Разработка включает создание источников тория-229, систем лазерного возбуждения и высокоточных детекторов. Часы будут компактнее атомных аналогов, потребляя меньше энергии, что критично для спутниковых систем.

Помимо того, что ядерные часы станут более миниатюрными и стабильными по сравнению с атомными, они будут ещё и более точными. С их точностью непосредственно связано повышение точности навигационных спутниковых систем (GPS, ГЛОНАСС). Высокая точность стандарта частоты может позволить регистрировать зависимость частоты перехода от гравитационного поля: измерять гравитационное поле Земли с использованием стандарта частоты, находящегося на спутнике. <…> Ядерный стандарт частоты также позволит решать задачи фундаментальной физики, в частности измерить с высокой точностью ряд фундаментальных констант (постоянную тонкой структуры, гравитационную постоянную) и тем самым проверить основы космологических эффектов общей теории относительности

Пётр Борисюк

заведующий кафедрой физико-технических проблем метрологии (№78) института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ

Качество навигации повысится

Основное применение ядерных часов — улучшение навигационных систем, таких как ГЛОНАСС. Точность времени напрямую влияет на определение координат: ошибка в 1 наносекунду приводит к погрешности в 30 см. Ядерные часы сократят эту погрешность, улучшая навигацию для гражданских, военных и космических приложений. Они также позволят измерять гравитационное поле Земли с высокой точностью, что поможет в поиске полезных ископаемых и нефтегазовых месторождений.

Помимо навигации, ядерные часы найдут применение в телекоммуникациях, где синхронизация критически важна для сетей 5G и 6G.

В фундаментальной науке часы помогут исследованию космологических эффектов, таких как гравитационное замедление времени, и проверке теории относительности. В квантовых вычислениях они обеспечат синхронизацию процессов, повышая производительность.

Перспективы развития

Ядерные часы обладают экспортным потенциалом для стран БРИКС, таких как Китай (с системой BeiDou) и Индия, а также партнёров Росатома, включая Египет и Вьетнам. Внутри России технология применима в научных центрах, таких как Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ), и в промышленности для синхронизации сложных систем. К 2027 году планируется завершить прототип, а к 2030 году — начать серийное производство. Интеграция с ИИ для обработки данных улучшит функциональность часов.

Ретроспектива

Работы начались в 2018 году с исследований свойств тория-229 в НЦФМ. В 2023 году учёные освоили лазерную спектроскопию для управления изомерным переходом, а в 2024 году подтвердили его стабильность. В 2025 году началась сборка прототипа, включающего лазерные и криогенные системы. Тесты показали, что устройство устойчиво к внешним помехам, а его энергопотребление на 10% ниже, чем у атомных часов. НЦФМ сотрудничает с институтами Росатома и РАН, используя опыт в квантовых технологиях.