Kvantové hodiny - Quantum clock

Kvantové hodiny je typ atomových hodin s laserovým ochladí jednotlivé ionty uvězněni společně v iontové pasti elektromagnetické . Hodiny, které v roce 2010 vyvinuli fyzici jako americký národní institut pro standardy a technologie , byly 37krát přesnější než tehdy existující mezinárodní standard. Kvantové logické hodiny jsou založeny na iontu spektroskopie hliníku s logickým atomem.

Jak kvantové hodiny na bázi hliníku , tak optické atomové hodiny na bázi rtuti sledují čas iontových vibrací na optické frekvenci pomocí UV laseru , což je 100 000krát vyšší než mikrovlnné frekvence používané v NIST -F1 a dalších podobných časových standardech kolem svět. Takové kvantové hodiny mohou být mnohem přesnější než mikrovlnné standardy.

Přesnost

NIST 2010 kvantová logika hodiny založen na jediném hliníkového iontu

Tým NIST není schopen měřit tiky hodin za sekundu, protože definice sekundy je založena na standardním NIST-F1, který nemůže měřit stroj přesněji než sám. Frekvence hodin hliníkových iontů je však podle současného standardu1 121 015 393 207 857,4 (7) Hz . NIST připisují přesnost hodin skutečnosti, že jsou necitlivé na magnetická a elektrická pole pozadí a nejsou ovlivněny teplotou.

V březnu 2008, fyzici v NIST je popsáno experimentální kvantové logiky hodiny na základě individuálních iontů z berylia a hliníku . Tyto hodiny byly porovnány s hodinami rtuti iontů NIST . Jednalo se o nejpřesnější hodiny, které byly zkonstruovány, přičemž hodiny nezískaly ani neztratily čas rychlostí, která by přesáhla sekundu za více než miliardu let.

V únoru 2010, NIST fyzici popsal druhou, vylepšenou verzi kvantové logiky hodiny na základě individuálních ionty z hořčíku a hliníku . Považován za nejpřesnější hodiny na světě v roce 2010 se zlomkovou frekvenční nepřesností 8,6 × 10 −18 , nabízí více než dvojnásobnou přesnost oproti originálu. Pokud jde o standardní odchylku , kvantové logické hodiny se odchylují o jednu sekundu každých 3,68 miliardy ( 3,68 × 10 9 ) let, zatímco tehdejší současná mezinárodní standardní nejistota atomových hodin NIST-F1 s cesiovou fontánou byla asi 3,1 × 10 −16, přičemž se neočekávalo, že by získala nebo ztratit sekundu za více než 100 milionů ( 100 × 106 6 ) let. V červenci 2019 vědci NIST předvedli takové hodiny s celkovou nejistotou 9,4 × 10 −19 (odchyluje se o jednu sekundu každých 33,7 miliardy let), což je první ukázka hodin s nejistotou pod 10 −18 .

Dilatace kvantového času

"Dva hodiny jsou znázorněny jako pohybující se v Minkowského prostoru. Hodiny B se pohybují v lokalizovaném paketu hybnosti s průměrnou hybností p B , zatímco hodiny A se pohybují v superpozici lokalizovaných paketů vln hybnosti s průměrnou hybností p A a p0 A. Hodiny A zažívá kvantový příspěvek k dilataci času, kterou pozoruje vzhledem k hodinám B, kvůli svému neklasickému stavu pohybu. “

V článku z roku 2020 vědci ilustrovali, že a jak by kvantové hodiny mohly zažít možná experimentálně testovatelnou superpozici správných časů díky časové dilataci teorie relativity, kdy čas u jednoho objektu ve srovnání s jiným objektem plyne pomaleji, když se první pohybuje vyšší rychlostí . Při „kvantové dilataci času“ se jeden ze dvou hodin pohybuje v superpozici dvou lokalizovaných paketů hybnosti , což má za následek změnu na klasickou dilataci času.

Gravitační dilatace času v každodenním laboratorním měřítku

V roce 2010 experiment umístil dva kvantové hodiny hliníku a iontů blízko sebe, ale s druhým zvýšeným o 30,5 cm (12 palců) ve srovnání s prvním, čímž byl efekt gravitační dilatace času viditelný v každodenních laboratorních měřítcích.

Přesnější experimentální hodiny

Přesnost kvantových hodin byla krátce nahrazena optickými mřížkovými hodinami založenými na stronciu-87 a ytterbiu-171 do roku 2019. Experimentální hodiny s optickou mřížkou byly popsány v dokumentu Nature 2014. V roce 2015 vyhodnotila JILA absolutní frekvenční nejistotu svých nejnovějších optických mřížkových hodin stroncia-87 430 THz na 2,1 × 10 −18 , což odpovídá měřitelné dilataci gravitačního času pro změnu výšky 2 cm (0,79 palce) na planetě Zemi, která podle člen JILA/NIST, člen Jun Ye se „blíží tomu, aby byl užitečný pro relativistickou geodézii “. Při této frekvenční nejistotě se očekává, že tyto optické hodiny JILA optické mřížky nezískají ani neztratí ani sekundu za více než 15 miliard ( 1,5 × 10 10 ) let.

Viz také

Reference