Квантовые логические часы
Квантовые часы — это разновидность атомных часов , в которых охлаждаемые лазером, одиночные ионы, 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 на основе ртути оптические атомные часы 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 [ править ]
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 алюминиево-ионных часов по текущему стандарту составляет 1 121 015 393 207 857,4 (7) Гц . [2] NIST объяснил 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 ионах бериллия отдельных 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 ионах магния отдельных и алюминия . В 2010 году считались самыми точными часами в мире с дробной погрешностью частоты 8,6 × 10. −18 , он обеспечивает более чем вдвое большую точность, чем оригинал. [5] [6] С точки зрения стандартного отклонения , часы квантовой логики 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. −16 ожидается, что он не выиграет и не потеряет ни секунды из более чем 100 миллионов ( 100 × 10 6 ) годы. [7] [8] В июле 2019 года ученые NIST продемонстрировали такие часы с полной погрешностью 9,4×10. −19 (отклоняются на одну секунду каждые 33,7 миллиарда лет), что является первой демонстрацией часов с погрешностью ниже 10. −18 . [9] [10] [11]
Квантовое замедление времени [ править ]
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 суперпозиции двух волновых пакетов локализованного импульса . [ нужны дальнейшие объяснения ] что приводит к изменению классического замедления времени. [13] [14] [12]
часы экспериментальные точные Другие
До 2019 года точность квантово-логических часов на короткое время была заменена часами на оптической решетке на основе стронция-87 и иттербия-171 . [9] [10] [11] Экспериментальные часы на оптической решетке были описаны в статье Nature 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 разрешением 2,1 × 10 −18 , что соответствует измеримому гравитационному замедлению времени при изменении высоты на 2 см (0,79 дюйма) на планете Земля, что, по мнению научного сотрудника JILA/NIST Джун Е , «действительно близко к тому, чтобы быть 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 ) годы. [20]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Гоуз, Тиа (5 февраля 2010 г.). «Сверхточные квантово-логические часы посрамят старые атомные часы» . Проводной . Проверено 7 февраля 2010 г.
- ^ 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 . ПМИД 18323415 . S2CID 206511320 . Проверено 31 июля 2013 г.
- ^ «Квантовые часы оказались столь же точными, как и самые точные часы в мире» . azonano.com. 7 марта 2008 года . Проверено 6 ноября 2012 г.
- ^ Свенсон, Гейл (7 июня 2010 г.). «Пресс-релиз: «Квантовые логические часы» НИСТ конкурируют с ионами ртути как самые точные часы в мире» . НИСТ .
- ↑ 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.
- ^ 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 . ПМИД 20366869 . S2CID 13936087 . Проверено 9 февраля 2011 г.
- ^ «Вторые «квантовые логические часы» НИСТ 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 5 сентября 2010 г. Проверено 4 ноября 2012 г.
- ^ «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.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б 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 . ПМИД 31386450 . S2CID 119075546 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Уиллс, Стюарт (июль 2019 г.). «Точность оптических часов открывает новые горизонты» .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б 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 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б 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 (некоторые его материалы использованы здесь). - ^ «Теория хронометража сочетает в себе квантовые часы и теорию относительности Эйнштейна» . физ.орг . Проверено 10 ноября 2020 г.
- ^ О'Каллаган, Джонатан. «Квантовый поворот времени предлагает способ создать часы Шредингера» . Научный американец . Проверено 10 ноября 2020 г.
- ^ 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 . ПМИД 24463513 . S2CID 4461081 .
- ^ 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.
- ^ 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 2 × 10 −18 полная неопределенность» . Nature Communications . 6 : 6896. arXiv : 1412.8261 . Bibcode : 2015NatCo...6.6896N doi : 10.1038 /ncomms7896 . PMC 4411304. . PMID 25898253 .
- ^ JILA Scientific Communications (21 апреля 2015 г.). «О времени» . Архивировано из оригинала 19 сентября 2015 года . Проверено 27 июня 2015 г.
- ^ 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.
- ^ Джеймс Винсент (22 апреля 2015 г.). «Самые точные часы, когда-либо построенные, отстают всего на одну секунду каждые 15 миллиардов лет» . Грань . Проверено 26 июня 2015 г.
