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
.jpg)
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
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 cm (0,79 in) 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]
