В.Ф. Фатеев
ФГУП «ВНИИФТРИ», Менделеево, Московская обл., Россия;
generalfat@mail.ru
«Альманах современной метрологии» № 3 (39) 2024, стр. 79–118
УДК 528.27, 531.5, 530.145
Аннотация. В статье представлен обзор зарубежных и отечественных публикаций по состоянию и перспективам развития квантовых датчиков гравитационного и магнитного полей Земли, пригодных для подготовки навигационных карт. Проанализированы наземные квантовые средства измерений разности гравитационных потенциалов, их первых и вторых градиентов, а также уклонений отвесных линий. Рассмотрены реализованные зарубежные космические квантово-оптические гравитационные градиентометры.
Ключевые слова: квантовые датчики, гравитационное поле Земли, магнитное поле Земли, навигационные карты.
Цитируемая литература
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: в 9 т. Т. 2: Теория поля. — 5-е изд., испр. и доп. — М.: Наука, 1967. — 460 с.
2. Фатеев В.Ф. Релятивистская метрология околоземного пространства-времени: монография. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2017. — 439 с.
3. Фатеев В.Ф., Жариков А.И., Сысоев В.П., Рыбаков Е.А., Смирнов Ф.Р. Об измерении разности гравитационных потенциалов Земли с помощью перевозимых квантовых часов // Доклады Академии наук. — 2017. — Т. 472. — № 2. — С. 206–209.
4. Фатеев В.Ф., Сысоев В.П., Рыбаков Е.А. Экспериментальное измерение гравитационного эффекта замедления времени с помощью перевозимых квантовых часов // Измерительная техника. — 2016. — № 4. — C. 41–43.
5. Фатеев В.Ф., Смирнов Ф.Р., Карауш А.А. Эксперимент по повышению точности квантового нивелира на основе водородных квантовых часов с использованием фазовых измерений ГЛОНАСС/GPS // Журнал технической физики. — 2023. — Т. 93. — № 8. — С. 1181–1187.
6. Фатеев В.Ф., Смирнов Ф.Р., Рыбаков Е.А. Измерение эффекта удвоения гравитационного смещения частоты с помощью квантового нивелира на водородных часах // Письма в ЖТФ. — 2022. — Т. 48. — № 7. — С 36–38.
7. Фатеев В.Ф., Рыбаков Е.А., Смирнов Ф.Р. Метод релятивистской синхронизации мобильных атомных часов и его экспериментальная проверка // Письма в ЖТФ. — 2017. — Т. 43. — № 10. — С. 3–11. Fateev V.F., Rybakov E.A., Smirnov F.R. A method of relativistic synchronization of moving atomic clocks and experimental verification thereof // Technical Physics Letters. — 2017. — V. 43. — № 5. — P. 456–459.
8. Бердасов О.И., Хабарова К.Ю., Стрелкин С.А., Белотелов Г.С., Костин А.С., Грибов А.Ю., Пальчиков В.Г., Колачевский Н.Н., Слюсарев С.Н. Оптические стандарты частоты на холодных атомах стронция // Альманах современной метрологии. — 2014. — № 1 (1). — С. 13–36.
9. Тайченачев А.В., Юдин В.И., Багаев С.Н. Сверхточные оптические стандарты частоты на ультрахолодных атомах: состояние и перспективы // Успехи физических наук. — 2016. — Т. 186. — № 2. — С. 193–205.
10. Чепуров С.В., Луговой А.А., Тайченачев А.В., Багаев С.Н. и др. Оптический стандарт частоты на основе одиночного иона иттербия // Метрология времени и пространства. Материалы VIII Международного симпозиума, 14–16 сентября 2016 г., Санкт-Петербург. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2016. — С. 241–242.
11. Poli N., Schioppo M., Vogt S., Falke St., Sterr U., Lisdat Ch., Tino G.M. A transportable strontium optical lattice clock // Applied Physics B. — 2014. — V. 117. — P. 1107–1116. — DOI: 10.1007/s00340-014-5932-9.
12. Фатеев В.Ф., Колмогоров О.В. Определение разности гравитационных потенциалов в поле Земли на основе измерения гравитационной задержки световых волн в оптическом волокне // Измерительная техника. — 2022. — № 9. — С. 33–39.
13. Herrmann S., Finke F., Lülf M., Kichakova O., Puetzfeld D., Knickmann D., List M., Rievers B., Giorgi G., Günther Ch., Dittus H., Prieto-Cerdeira R., Dilssner F., Gonzalez F., Schönemann E., Ventura-Traveset J., Lämmerzahl C. Test of the gravitational redshift with Galileo satellites in an eccentric orbit // Physical Review Letters. — 2018. — V. 121. — № 23. — 231102.
14. Delva P., Puchades N., Schönemann E., Dilssner F., Courde C., Bertone S., Gonzalez F., Hees A., Le Poncin-Lafitte Ch., Meynadier F., Prieto-Cerdeira R., Sohet B., Ventura-Traveset J., Wolf P. Gravitational redshift test using eccentric Galileo satellites // Physical Review Letters. — 2018. — V. 121. — № 23. — 231101.
15. Фатеев В.Ф., Рыбаков Е.А., Смирнов Ф.Р., Сысоев В.П., Донченко С.С., Карауш А.А., Колмогоров О.В., Лопатин В.П. Релятивистская геодезия. Квантовые нивелиры и сеть «Квантовый футшток». Теория, эксперименты, макетирование: монография / под ред. В.Ф. Фатеева. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2024. — 344 с.
16. Витушкин Л.Ф., Орлов О.А. Абсолютный баллистический гравиметр АБГ-ВНИИМ-1 разработки ВНИИМ имени Д.И. Менделеева // Гироскопия и навигация. — 2014. — № 2 (85). — С. 95–101.
17. Барышев В.Н., Блинов И.В. Применение атомной интерферометрии в гравиметрии // Измерительная техника. — 2014. — № 12. — С. 3–6.
18. Jo G.-B., Shin Y., Will S., Pasquini T.A., Saba M., Ketterle W., Pritchard D.E., Vengalattore M., Prentiss M. Long phase coherence time and number squeezing of two Bose — Einstein condensates on an atom chip // Physical Review Letters. — 2007. — V. 98. — № 3. — 030407.
19. Böhi P., Riedel M.F., Hoffrogge J., Reichel J., Hänsch T.W., Treutlein P. Coherent manipulation of Bose — Einstein condensates with state-dependent microwave potentials on an atom chip // Nature Physics. — 2009. — V. 5. — P. 592–597.
20. The World’s Quantum Information Company. — URL: www.infleqtion.com (дата обращения: 10.09.2024).
21. Jakob Reichel. Professor of quantum physics, Laboratoire Kastler Brossel, ENS/CNRS/Sorbonne Université. — URL: https://scholar.google.com/citations?user=EOrqDVAAAAAJ&hl=ru (дата обращения: 15.05.2024).
22. Hänsel W., Hommelhoff P., Hänsch T.W., Reichel J. Bose — Einstein condensation on a microelectronic chip // Nature. — 2001. — V. 413. — P. 498–501.
23. JILA: Joint Institute of The University of Colorado Boulder and the National Institute of Standards & Technology. — URL: https://jila.colorado.edu (дата обращения: 15.05.2024).
24. Малеев П.И. Основные направления создания средств навигации на основе сверхпроводимости // Навигация и гидрография. — 2020. — № 59. — C. 16–25.
25. Dicke R.H., Block B., Weber J. Superconducting gravimeter. United States Patent 3 424 006A. Publication date: 1969/01/28.
26. Goodkind J.M., Prothero W.A. Force measuring instrument. United States Patent 3 449 956A. Publication date: 1969/06/17.
27. Goodkind J.M., Warburton R.J. Superconductivity applied to gravimetry // IEEE Transactions on Magnetics. — 1975. — V. 11. — № 2. — P. 708–711.
28. Goodkind J.M. Superconducting gravimeter. University of California. Final report. NASA-CR-169672. NTIS, PC A03/MF A01. — 1982. — 29 p.
29. Paterson R. Cryogenics GWR Superconducting Gravimeter. — 1980, June. — P. 229–306.
30. Goodkind J.M. The superconducting gravimeter // Review of Scientific Instruments. — 1999. — V. 70. — № 11. — P. 4131–4152.
31. Михалевич B.C., Козорез В.В., Рашкован В.М., Хусаинов Д.Я., Чеборин О.Г. «Магнитная потенциальная яма» — эффект стабилизации сверхпроводящих динамических систем. — Киев: Наукова думка, 1991. — 336 с.
32. Козорез В.В. Об устойчивости движения в задаче двух свободных магнитов // Механика твёрдого тела. Известия АН СССР. — 1976. — № 1. — С. 8–13.
33. Warburton R.J., Pillai H., Reineman R.C. Initial results with the new GWR iGravTM superconducting gravity meter // International Association of Geodesy (IAG) Symposium Proceedings. IAG Symposium on Terrestrial Gravimetry: Static and Mobile Measurements (TG-SMM2010). 22–25 June 2010, Russia, Saint Petersburg.
34. Августов Л.И., Блажнов Б.А., Болотин Ю.В. и др. Современные методы и средства измерения параметров гравитационного поля Земли / под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова; науч. редактор д.т.н. О.А. Степанов. — СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн “ЦНИИ «Электроприбор»”», ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики», 2017. — 389 с.
35. Halicioglu K., Deniz R., Ozener H. Determining astro-geodetic deflections of the vertical using digital Zenith camera system // 26th IUGG General Assembly 2015, Prague, Czech Republic. Proceedings. — 2015.
36. Somieski A.E. Astrogeodetic Geoid and Isostatic Considerations in the North Aegean Sea, Greece: а dissertation submitted to the ETH Zurich for the degree of Doctor of Sciences. — 2008.
37. Hirt Ch., Bürki B. The digital Zenith camera — A new high-precision and economic astrogeodetic observation system for real-time measurement of vertical deflections // Proceedings of the 3rd Meeting of the International Gravity and Geoid Commission of the International Association of Geodesy / ed I. Tziavos. — Thessaloniki, Greece, 2002. — P. 161–166.
38. Гайворонский С.В., Кузьмина Н.В., Цодокова В.В. Автоматизированный зенитный телескоп для решения астрономо-геодезических задач // Навигация по гравитационному полю Земли и её метрологическое обеспечение. Доклады научно-технической конференции. 14–15 февраля 2017 г. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2017. — С. 197–205.
39. Мурзабеков М.М., Фатеев В.Ф. Комплекс средств метрологического обеспечения для астроизмерителей неоднородности гравитационного поля Земли // VIII Международный симпозиум «Метрология времени и пространства». Санкт-Петербург, 14–16 сентября 2016 г. Доклады симпозиума. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2017. — С. 210–214.
40. Пат. 2750999, МПК G01C 9/00. Способ измерения уклонений отвесной линии и устройство для его реализации / О.В. Денисенко, М.М. Мурзабеков, А.Е. Панин, А.В. Пругло, С.С. Равдин, И.С. Сильвестров, В.Ф. Фатеев; патентообладатель ФГУП «ВНИИФТРИ». — № 2020139586; заяв. 01.12.2020; опубл. 07.07.2021, Бюл. № 19.
41. High Precision Absolute Gravity Gradiometry with Atom Interferometry. A dissertation submitted to the department of physics and the committee on graduate studies of Stanford University in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy. By Jeffrey Michael McGuirk. September 2001. — URL: https://web.archive.org/web/20191208031119id_/https://web.stanford.edu/group/kasevich/cgi-bin/wordpress/wp-content/uploads/2012/09/McGuirkThesis.pdf (дата обращения: 15.05.2024).
42. Kasevich M. Mobile atomic gravity gradiometer prototype instrument (MAGGPI). — 2002. — URL: https://www.researchgate.net/publication/235071603_Mobile_Atomic_Gravity_Gradiometer_Prototype_Instrument_MAGGPI (дата обращения: 05.06.2024).
43. Jet Propulsion Laboratory. California Institute of Technology. — URL: www.jpl. nasa.gov (дата обращения: 10.09.2024).
44. Gustavson T.L. Cold Atom Gyros. Director of Advanced Sensor Development, AOSense, Inc. IEEE Sensors 2013 Tutorial. 11/3/2013. — 82 p.
45. Jekeli Ch. 100 Years of Gravity Gradiometry // Lecture Presented in Geological Science 781, Gravimetry. Ohio State University: Columbus, OH, USA. 27 November 2007.
46. Kok P., Zwierz M., Pérez-Delgado C.A. Heisenberg Limit in Quantum Metrology. Presentation.
47. Reynolds P. The Excitement of the MURIs. — URL: https://ndiastorage.blob.core.usgovcloudapi.net/ndia/2011/disruptive/Reynolds.pdf (дата обращения: 10.09.2024).
48. Bouyer V., Valenzuela T., Bongs K. iSense: A Portable Ultracold-Atom-Based Gravimeter. For the iSense Consortium School of Physics & Astronomy, University of Birmingham, Edgbaston, B15 2TT, Birmingham, UK.
49. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. — М.: Советское радио, 1975. — 424 с.
50. Шереметьев А.Г. Волоконный оптический гироскоп. — М.: Радио и связь, 1987. — 152 с.
51. Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Нисихара X., Кюма К., Хататэ К. Волоконно-оптические датчики / под ред. Т. Окоси. — пер. с яп. — Л.: Энергоатомиздат, 1990. — 256 с.
52. Коркишко Ю.Н., Федоров В.А., Прилуцкий В.Е., Пономарев В.Г., Марчук В.Г., Морев И.В., Кострицкий С.М., Падерин Е.М., Несенюк Л.П., Буравлев А.С., Лисин Л.Г. Волоконно-оптический гироскоп навигационного класса точности // Гироскопия и навигация. — 2008. — № 1 (60). — С. 71–81.
53. Пешехонов В.Г., Степанов О.А., Розенцвейн В.Г., Краснов А.А., Соколов А.В. Современное состояние разработок в области бесплатформенных инерциальных аэрогравиметров // Гироскопия и навигация. — 2022. — Т. 30. — № 4 (119). — С. 3–35.
54. Lutwak R. Micro-technology for positioning, navigation, and timing towards PNT everywhere and always // Space-Based Positioning Navigation & Timing National Advisory Board Fourteenth Meeting. Washington, D.C., December 10, 2014. — URL: http://www.gps.gov/governance/advisory/meetings/2014-12/lutwak.pdf (дата обращения: 23.05.2024).
55. Abramovici A., Althouse W.E., Drever R.W.P., Gürsel Y., Kawamura S., Raab F.J., Shoemaker D., Sievers L., Spero R.E., Thorne K.S., Vogt R.E., Weiss R., Whitcomb S.E., Zucker M.E. LIGO: The Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory // Science. — 1992. — V. 256. — № 5055. — P. 325–333.
56. Фатеев В.Ф., Давлатов Р.А. Стенд для моделирования градиентометрических лазерных измерений // Навигация по гравитационному полю Земли и её метрологическое обеспечение. Доклады научно-технической конференции. 14–15 февраля 2017 г. — Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ», 2017. — С. 307–309.
57. Witkowski M., Massmann F.-H. Status GRACE mission operations // GRACE Science Team Meeting (GSTM) Proceedings. Potsdam, Germany. September 29 — October 1, 2014.
58. Фатеев В.Ф., Давлатов Р.А. Космические детекторы гравитационных волн: отработка прорывных технологий для перспективных гравитационных градиентометров // Астрономический журнал. — 2019. — Т. 96. — № 8. — С. 687–698.
59. Trenkel C., Kemble S. Gravitational science with LISA pathfinder // Journal of Physics: Conference Series (7th International LISA Symposium. 16–20 June 2008, Barcelona, Spain). — 2009. — V. 154. — ID 012002.
60. Фатеев В.Ф., Давлатов Р.А. Анализ возможностей космического градиентометра на свободных массах // Альманах современной метрологии. — 2020. — № 2 (22). — С. 65–72.
61. Пат. 2754098, МПК G01V 7/00. Лазерный космический гравитационный градиентометр / В.Ф. Фатеев, О.В. Денисенко, И.С. Сильвестров, Р.А. Давлатов; патентообладатель ФГУП «ВНИИФТРИ». — № 2021102273; заявл. 01.02.2021; опубл. 26.08.2021, Бюл. № 24.
62. Фатеев В.Ф. Космический квантовый нивелир и его возможности при создании глобальной высотной основы // Альманах современной метрологии. — 2022. — № 4 (32). — С. 27–51.
63. Polyakov V., Timofeev Y., Demidov N. Frequency stability improvement of an active hydrogen maser with a single-state selection system // 2021 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/IFCS), 7–17 July 2021, Gainesville, FL, USA. Proceedings Virtual. — DOI: 10.1109/EFTF/IFCS52194.2021.9604270.
Статья поступила в редакцию: 12.05.2024 г.
Статья прошла рецензирование: 26.05.2024 г.
Статья принята в работу: 10.07.2024 г.
Полные тексты статей доступны в печатных номерах журнала по подписке и при покупке отдельных номеров у издателя.
Также полные тексты статей размещаются в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.