stringtranslate.com

Квантовые логические часы

Квантовые часы — это разновидность атомных часов , в которых одиночные ионы, охлаждаемые лазером, удерживаются вместе в электромагнитной ионной ловушке . Разработанные в 2010 году физиками Национального института стандартов и технологий США , часы были в 37 раз точнее существовавшего на тот момент международного стандарта. [1] Квантовые логические часы основаны на спектроскопическом ионе алюминия с логическим атомом.

И квантовые часы на основе алюминия , и оптические атомные часы на основе ртути отслеживают время с помощью вибрации ионов на оптической частоте с использованием УФ-лазера , что в 100 000 раз выше, чем микроволновые частоты, используемые в NIST-F1 и других аналогичных стандартах времени. мир. Подобные квантовые часы могут быть гораздо более точными, чем микроволновые стандарты.

Точность

Квантовые логические часы NIST 2010 на основе одного иона алюминия .

Команда NIST не может измерять такты часов в секунду, поскольку определение секунды основано на стандарте NIST-F1, который не может измерить машину более точно, чем она сама. Однако измеренная частота часов с ионами алюминия в соответствии с текущим стандартом1 121 015 393 207 857 .4(7) Гц . [2] NIST объясняет точность часов тем фактом, что они нечувствительны к фоновым магнитным и электрическим полям и не подвержены влиянию температуры. [3]

В марте 2008 года физики из НИСТ описали экспериментальные квантовые логические часы, основанные на отдельных ионах бериллия и алюминия . Эти часы сравнивали с ртутно -ионными часами NIST. Это были самые точные часы, которые когда-либо были построены: часы не спешили и не отставали со скоростью, превышающей секунду за более чем миллиард лет. [4]

В феврале 2010 года физики NIST описали вторую, улучшенную версию квантовых логических часов, основанную на отдельных ионах магния и алюминия . В 2010 году они считались самыми точными часами в мире с дробной погрешностью частоты 8,6 × 10 −18 , что обеспечивает более чем вдвое большую точность, чем оригинал. [5] [6] С точки зрения стандартного отклонения , квантовые логические часы отклоняются на одну секунду каждые 3,68 миллиарда ( 3,68 × 10 9 ) лет, в то время как действующий на тот момент международный стандарт NIST-F1 погрешность атомных часов с цезиевым фонтаном составляла около 3,1 × 10 — Ожидается, что 16 не выиграет и не потеряет ни секунды за более чем 100 миллионов ( 100 × 10 6 ) лет. [7] [8] В июле 2019 года ученые NIST продемонстрировали такие часы с общей погрешностью 9,4 × 10 −19 (отклонение на одну секунду каждые 33,7 миллиарда лет), что является первой демонстрацией часов с погрешностью ниже 10 −18 . [9] [10] [11]

Квантовое замедление времени

«Два часа изображены движущимися в пространстве Минковского. Часы B движутся в волновом пакете локализованного импульса со средним импульсом p B , а часы A движутся в суперпозиции волновых пакетов локализованного импульса со средним импульсом p A и p0 A . Часы A испытывает квантовый вклад в замедление времени, которое он наблюдает относительно часов B из-за его неклассического состояния движения». [12]

В статье 2020 года ученые проиллюстрировали это и то, как квантовые часы могут испытывать, возможно, экспериментально проверяемую суперпозицию собственных времен посредством замедления времени теории относительности, согласно которому время течет медленнее для одного объекта по сравнению с другим объектом, когда первый движется с более высокой скоростью. . При «квантовом замедлении времени» одни из двух часов движутся в виде суперпозиции двух волновых пакетов локализованного импульса , что [ требуется дальнейшее объяснение ], что приводит к изменению классического замедления времени. [13] [14] [12]

Другие точные экспериментальные часы

Точность квантово-логических часов на короткое время была заменена часами на оптической решетке на основе стронция-87 и иттербия-171 до 2019 года. [9] [10] [11] Экспериментальные часы на оптической решетке были описаны в статье Nature от 2014 года. [15] В 2015 году JILA оценила абсолютную неопределенность частоты своего последнего стронция-87 429 ТГц (429 228 004 229 873,0 Гц [16] ) часы оптической решетки с частотой 2,1 × 10 −18 , что соответствует измеримому гравитационному замедлению времени при изменении высоты на 2 см (0,79 дюйма) на планете Земля, согласно данным JILA/NIST. Товарищ Цзюнь Е «очень близок к тому, чтобы стать полезным для релятивистской геодезии ». [17] [18] [19] Ожидается, что при такой неопределенности частоты эти оптические часы JILA на оптической решетке не прибавят и не потеряют ни секунды за более чем 15 миллиардов ( 1,5 × 10 10 ) лет. [20]


Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гоуз, Тиа (5 февраля 2010 г.). «Сверхточные квантово-логические часы посрамят старые атомные часы». Проводной . Проверено 7 февраля 2010 г.
  2. ^ Розенбанд, Т.; Хьюм, Д.Б.; Шмидт, ПО; Чжоу, CW; Бруш, А.; Лорини, Л.; Оскай, штат Вашингтон; Друллинджер, Р.Э.; Фортье, ТМ; Сталнакер, Дж. Э.; Диддамс, ЮАР; Суонн, туалет; Ньюбери, Северная Каролина; Итано, ВМ; Вайнленд, диджей; Бергквист, JC (28 марта 2008 г.). «Соотношение частот одноионных оптических часов Al + и Hg +; метрология в 17-м десятичном знаке» (PDF) . Наука . 319 (5871): 1808–1812. Бибкод : 2008Sci...319.1808R. дои : 10.1126/science.1154622. PMID  18323415. S2CID  206511320 . Проверено 31 июля 2013 г.
  3. ^ «Квантовые часы оказались такими же точными, как и самые точные часы в мире» . azonano.com. 7 марта 2008 года . Проверено 6 ноября 2012 г.
  4. ↑ Свенсон, Гейл (7 июня 2010 г.). «Пресс-релиз: «Квантовые логические часы» НИСТ конкурируют с ионами ртути как самые точные часы в мире». НИСТ .
  5. ↑ Вторые «квантовые логические часы» NIST на основе ионов алюминия теперь являются самыми точными часами в мире. Архивировано 5 сентября 2010 г. в Wayback Machine , NIST, 4 февраля 2010 г.
  6. ^ CW Чжоу; Д. Хьюм; JCJ Кулемей; DJ Wineland и Т. Розенбанд (17 февраля 2010 г.). «Сравнение частот двух высокоточных оптических часов Al+» (PDF) . Письма о физических отзывах . 104 (7): 070802. arXiv : 0911.4527 . Бибкод : 2010PhRvL.104g0802C. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.070802. PMID  20366869. S2CID  13936087 . Проверено 9 февраля 2011 г.
  7. ^ «Вторые «квантовые логические часы» NIST на основе ионов алюминия теперь являются самыми точными часами в мире» (пресс-релиз). Национальный институт стандартов и технологий . 4 февраля 2010 г. Архивировано из оригинала 05 сентября 2010 г. Проверено 4 ноября 2012 г.
  8. ^ «Атомные часы с цезиевым фонтаном NIST-F1: основной стандарт времени и частоты для Соединенных Штатов» . НИСТ . 26 августа 2009 года . Проверено 2 мая 2011 г.
  9. ^ аб Брюэр, С.М.; Чен, Дж.-С.; Ханкин, AM; Клементс, ER; Чжоу, CW; Вайнленд, диджей; Хьюм, Д.Б.; Лейбрандт, ДР (15 июля 2019 г.). «Квантово-логические часы Al + 27 с систематической неопределенностью ниже 10–18». Письма о физических отзывах . 123 (3): 033201. arXiv : 1902.07694 . doi :10.1103/PhysRevLett.123.033201. PMID  31386450. S2CID  119075546.
  10. ^ Аб Уиллс, Стюарт (июль 2019 г.). «Точность оптических часов открывает новые горизонты».
  11. ^ Аб Дюбе, Пьер (15 июля 2019 г.). «Точка зрения: ионные часы переходят в новый режим точности». Физика . 12:79 . doi : 10.1103/Физика.12.79 . S2CID  199119436.
  12. ^ Аб Смит, Александр Р.Х.; Ахмади, Мехди (23 октября 2020 г.). «Квантовые часы наблюдают классическое и квантовое замедление времени». Природные коммуникации . 11 (1): 5360. arXiv : 1904.12390 . Бибкод : 2020NatCo..11.5360S. дои : 10.1038/s41467-020-18264-4. ISSN  2041-1723. ПМЦ 7584645 . ПМИД  33097702.  Доступно по лицензии CC BY 4.0 (здесь использована часть его содержимого).
  13. ^ «Теория хронометража сочетает в себе квантовые часы и теорию относительности Эйнштейна». физ.орг . Проверено 10 ноября 2020 г.
  14. ^ О'Каллаган, Джонатан. «Квантовый поворот времени предлагает способ создать часы Шредингера». Научный американец . Проверено 10 ноября 2020 г.
  15. ^ Блум, Би Джей; Николсон, ТЛ; Уильямс, младший; Кэмпбелл, СЛ; Бишоф, М.; Чжан, X.; Чжан, В.; Бромли, СЛ; Йе, Дж. (22 января 2014 г.). «Оптические решетчатые часы с точностью и стабильностью на уровне 10–18». Природа . 506 (7486): 71–5. arXiv : 1309.1137 . Бибкод : 2014Natur.506...71B. дои : 10.1038/s41586-021-04349-7. PMID  24463513. S2CID  4461081.
  16. ^ Ясуда, Масами; Идо, Тецуя. «Отчет рабочей группы TCTF/TCL по метрологии оптических частот, заседание TCTF, Дели, Индия, 27 ноября 2017 г.». АПМП . Азиатско-Тихоокеанская программа метрологии . Проверено 8 ноября 2021 г.
  17. ^ Т.Л. Николсон; С.Л. Кэмпбелл; РБ Хатсон; Дж. Е. Марти; Би Джей Блум; Р.Л. МакНелли; В. Чжан; доктор медицины Барретт; М.С. Сафронова; Г. Ф. Страус; У.Л. Тью; Дж. Йе (21 апреля 2015 г.). «Систематическая оценка атомных часов при полной неопределенности 2 × 10–18». Природные коммуникации . 6 : 6896. arXiv : 1412,8261 . Бибкод : 2015NatCo...6.6896N. doi : 10.1038/ncomms7896. ПМЦ 4411304 . ПМИД  25898253. 
  18. ^ JILA Scientific Communications (21 апреля 2015 г.). "О времени". Архивировано из оригинала 19 сентября 2015 года . Проверено 27 июня 2015 г.
  19. ↑ Лаура Ост (21 апреля 2015 г.). «Все время становится лучше: стронциевые атомные часы JILA устанавливают новый рекорд». Национальный институт стандартов и технологий . Проверено 17 октября 2015 г.
  20. ↑ Джеймс Винсент (22 апреля 2015 г.). «Самые точные часы, когда-либо созданные, отстают всего на одну секунду каждые 15 миллиардов лет». Грань . Проверено 26 июня 2015 г.