Квантовий годинник

Квантовий годинник — це тип атомного годинника з охолодженими лазером поодинокими іонами, утримуваними разом собою в електромагнітній іонній пастці. Розроблений у 2010 році фізиками Національного інституту стандартів і технологій, годинник був у 37 разів точнішим за тодішній міжнародний стандарт.[1] Квантовий логічний годинник заснований на іоні алюмінію для спектроскопії та логічним атомом.

Як квантовий годинник на основі алюмінію, так і оптичний атомний годинник на основі ртуті відстежують час по вібрації іона з оптичною частотою за допомогою ультрафіолетового лазера, що в 100 000 разів перевищує частоти надвисокочастотного випромінювання, що використовуються в NIST-F1[en] та інших подібних стандартах часу у всьому світі. Такі квантові годинники можуть бути набагато точніші, ніж стандарти на мікрохвилях.

Точність

Годинник з квантовою логікою NIST 2010 на єдиному іоні алюмінію

Команда NIST не може виміряти кількість коливань в секунду, оскільки визначення секунди базується на NIST-F1, який не може виміряти більш точну машину. Однак виміряна частота годинника на іоні алюмінію до поточного стандарту становить 1121015393207857,4 (7) Гц.[2] NIST пояснюють точність годинника тим, що він нечутливий до фонових магнітних та електричних полів і на нього не впливає температура.[3]

У березні 2008 року фізики NIST описали експериментальний квантовий логічний годинник на основі окремих іонів берилію та алюмінію . Цей годинник порівнювали з іонним годинником NIST на ртуті. Це були найточніші годинники, які були побудовані, годинник ні поспішав, ні відставав швидкістю, яка перевищувала б секунду за мільярд років.[4]

У лютому 2010 року фізики NIST описали другу, вдосконалену версію квантового логічного годинника, засновану на індивідуальних іонах магнію та алюмінію. Вона вважається найточнішим у світі годинником у 2010 році з дробовою неточністю частоти 8.6 × 10−18, і забезпечує більш ніж подвійну точність у порівнянні з оригіналом.[5][6] Що стосується стандартного відхилення, квантовий логічний годинник відхиляється на одну секунду кожні 3,68 мільярда (3.68 × 109) років, тоді як у чинного на той час міжнародного стандарта NIST-F1 на фонтані цезію[en] неточність атомного годинника була приблизно 3.1 × 10−16 ; очікується, що він ні набере, ні втратить секунду за понад 100 мільйонів (100 × 106) років[7][8] У липні 2019 року вчені NIST продемонстрували такий годинник із повною невизначеністю 9.4 × 10−19 (відхиляється на одну секунду кожні 33,7 мільярда років), що є першою демонстрацією годинника з невизначеністю нижче 10−18.[9][10][11]

Квантове уповільнення часу

«Зображено як два годинники рухаються в просторі Мінковського. Годинник B рухається в пакеті локалізованого імпульсу із середнім імпульсом pB, тоді як годинник A рухається у суперпозиції локалізованих пакетів хвиль імпульсу із середнім імпульсом pA та p0A. Годинник А відчуває квантовий внесок в уповільнення часу, який він спостерігає щодо годинника В, завдяки своєму некласичному стану руху.»[12]

У статті до 2020 року вчені продемонстрували, що і як квантові годинники можуть випробувати експериментально перевірену суперпозицію належних часів через уповільнення часу у теорії відносності, коли час проходить повільніше для одного об'єкта по відношенню до іншого об'єкта, коли перший рухається з більшою швидкістю. При «квантовому уповільненні часу» один із двох годинників рухається в суперпозиції двох локалізованих імпульсів хвильових пакетів, що призводить до зміни до класичного уповільнення часу.[13][14][12]

Гравітаційне уповільнення часу в повсякденних лабораторних масштабах

У 2010 році в результаті експерименту два квантові годинники з іонами алюмінію були розташовані близько один до одного, але другий був встановлений вище на 30,5 см порівняно з першим, що зробило ефект гравітаційного уповільнення часу помітним у повсякденних лабораторних масштабах.[15]

Більш точні експериментальні годинники

Точність квантових годинників на короткий час витіснила годинники на оптичних ґратках на основі стронцію-87 та іттербію-171 до 2019 року.[9][10][11] Експериментальний годинник на оптичній ґратці[en] був описаний у статті Nature 2014 року.[16] У 2015 році Об'єднаний інститут лабораторної астрофізики оцінив абсолютну похибку частоти їх останнього годинника на оптичній ґратці на стронції-87 як 2.1 × 10−18, що відповідає вимірюваному гравітаційному уповільненню часу для зміни висоти 2 см (0,79 дюйм) на планеті Земля, що, за словами співробітника JILA / NIST Jun Ye, «стає справді близьким до того, щоб бути корисним для релятивістської геодезії».[17][18][19] За такої невизначеності частоти оптичний годинник JILA, як очікується, ні набере, ні втратить секунду за більш ніж 15 мільярдів (1.5 × 1010) років.[20]

Примітки

  1. ↑ Ghose, Tia (5 лютого 2010). Ultra-Precise Quantum-Logic Clock Puts Old Atomic Clock to Shame. Wired. Архів оригіналу за 23 Лютого 2014. Процитовано 7 лютого 2010.
  2. ↑ Frequency Ratio of Al+ and Hg+ Single-ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place (PDF). sciencemag.org. 28 березня 2008. Архів оригіналу (PDF) за 3 Березня 2019. Процитовано 31 липня 2013.
  3. ↑ Quantum Clock Proves to be as Accurate as World's Most Accurate Clock. azonano.com. 7 березня 2008. Архів оригіналу за 18 Серпня 2008. Процитовано 6 листопада 2012.
  4. ↑ Swenson, Gayle (7 червня 2010). Press release: NIST 'Quantum Logic Clock' Rivals Mercury Ion as World's Most Accurate Clock (англ.). NIST. Архів оригіналу за 2 Червня 2017. Процитовано 5 Грудня 2020.
  5. ↑ NIST's Second 'Quantum Logic Clock' Based on Aluminum Ion is Now World's Most Precise Clock [Архівовано 5 Вересня 2010 у Wayback Machine.], NIST, 4 February 2010
  6. ↑ C.W Chou; D. Hume; J.C.J. Koelemeij; D.J. Wineland & T. Rosenband (17 лютого 2010). Frequency Comparison of Two High-Accuracy Al+ Optical Clocks (PDF). NIST. Архів оригіналу (PDF) за 21 Липня 2011. Процитовано 9 лютого 2011.
  7. ↑ NIST's Second 'Quantum Logic Clock' Based on Aluminum Ion is Now World's Most Precise Clock (Пресреліз). National Institute of Standards and Technology. 4 лютого 2010. Архів оригіналу за 5 Вересня 2010. Процитовано 4 листопада 2012.
  8. ↑ NIST-F1 Cesium Fountain Atomic Clock: The Primary Time and Frequency Standard for the United States. NIST. 26 серпня 2009. Архів оригіналу за 19 Серпня 2016. Процитовано 2 травня 2011.
  9. ↑ а б Brewer, S. M.; Chen, J.-S.; Hankin, A. M.; Clements, E. R.; Chou, C. W.; Wineland, D. J.; Hume, D. B.; Leibrandt, D. R. (15 липня 2019). Al + 27 Quantum-Logic Clock with a Systematic Uncertainty below 10 − 18. Physical Review Letters (англ.). 123 (3). arXiv:1902.07694. doi:10.1103/PhysRevLett.123.033201.
  10. ↑ а б Wills, Stewart (July 2019). Optical Clock Precision Breaks New Ground. Архів оригіналу за 26 Серпня 2019.
  11. ↑ а б Dubé, Pierre (15 липня 2019). Viewpoint: Ion Clock Busts into New Precision Regime. Physics (англ.). 12. Архів оригіналу за 3 Грудня 2020. Процитовано 5 Грудня 2020.
  12. ↑ а б Smith, Alexander R. H.; Ahmadi, Mehdi (23 жовтня 2020). Quantum clocks observe classical and quantum time dilation. Nature Communications (англ.). 11 (1): 5360. doi:10.1038/s41467-020-18264-4. ISSN 2041-1723. PMC 7584645. PMID 33097702. Архів оригіналу за 24 Березня 2022. Процитовано 10 листопада 2020. Available under CC BY 4.0 [Архівовано 16 Жовтня 2017 у Wayback Machine.] (some content of it has been used here).
  13. ↑ Timekeeping theory combines quantum clocks and Einstein's relativity. phys.org (англ.). Архів оригіналу за 25 Листопада 2020. Процитовано 10 листопада 2020.
  14. ↑ O'Callaghan, Jonathan. Quantum Time Twist Offers a Way to Create Schrödinger's Clock. Scientific American (англ.). Архів оригіналу за 30 Листопада 2020. Процитовано 10 листопада 2020.
  15. ↑ Einstein’s time dilation apparent when obeying the speed limit (Пресреліз). Ars Technica. 24 вересня 2010. Архів оригіналу за 12 Листопада 2020. Процитовано 10 квітня 2015.
  16. ↑ Bloom, B. J.; Nicholson, T. L.; Williams, J. R.; Campbell, S. L.; Bishof, M.; Zhang, X.; Zhang, W.; Bromley, S. L.; Ye, J. (22 січня 2014). An optical lattice clock with accuracy and stability at the 10−18 level. Nature. 506 (7486): 71—5. arXiv:1309.1137. Bibcode:2014Natur.506...71B. doi:10.1038/nature12941. PMID 24463513.
  17. ↑ T.L. Nicholson; S.L. Campbell; R.B. Hutson; G.E. Marti; B.J. Bloom; R.L. McNally; W. Zhang; M.D. Barrett; M.S. Safronova; G.F. Strouse; W.L. Tew; J. Ye (21 квітня 2015). Systematic evaluation of an atomic clock at 2 × 10−18 total uncertainty. Nature Communications. 6: 6896. arXiv:1412.8261. Bibcode:2015NatCo...6.6896N. doi:10.1038/ncomms7896. PMC 4411304. PMID 25898253.
  18. ↑ JILA Scientific Communications (21 квітня 2015). About Time. Архів оригіналу за 19 вересня 2015. Процитовано 27 червня 2015.
  19. ↑ Laura Ost (21 квітня 2015). Getting Better All the Time: JILA Strontium Atomic Clock Sets New Record. National Institute of Standards and Technology. Архів оригіналу за 9 Жовтня 2015. Процитовано 17 жовтня 2015.
  20. ↑ James Vincent (22 квітня 2015). The most accurate clock ever built only loses one second every 15 billion years. The Verge. Архів оригіналу за 27 Січня 2018. Процитовано 26 червня 2015.