Квантовые часы - Quantum clock
Квантовые часы представляет собой тип атомных часов с лазерным охлаждением одиночных ионов приуроченных вместе в электромагнитной ионной ловушке . Часы, разработанные в 2010 году физиками как Национальный институт стандартов и технологий США , были в 37 раз точнее, чем существовавший на тот момент международный стандарт. Квантовые логические часы основаны на ионе алюминия с логическим атомом.
Как квантовые часы на основе алюминия, так и оптические атомные часы на основе ртути отслеживают время по вибрации ионов на оптической частоте с использованием УФ-лазера , что в 100000 раз выше, чем микроволновые частоты, используемые в NIST-F1 и других аналогичных стандартах времени. мир. Такие квантовые часы могут быть намного точнее микроволновых стандартов.
Точность
.jpg)
Команда NIST не может измерять такты часов в секунду, потому что 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 стандартом составляет1 121 015 393 207 857 0,4 (7) Гц . NIST объяснил точность часов тем фактом, что они нечувствительны к фоновым магнитным и электрическим полям и не подвержены влиянию температуры.
В марте 2008 года физики в NIST описана экспериментальная квантовая логика часы на основе отдельных ионов из бериллия и алюминия . Эти часы сравнивали с NIST по ртути ионов часов. Это были самые точные часы из всех, что когда-либо были построены, без того, чтобы часы показывали и не теряли время со скоростью, превышающей секунду за миллиард лет.
В феврале 2010 года NIST физика описала вторую, улучшенную версию квантовой логики часы на основе индивидуальных ионов из магния и алюминия . В 2010 году они считались самыми точными часами в мире с погрешностью дробной частоты 8,6 × 10 −18 , что более чем в два раза превышает точность оригинала. 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 неопределенность атомных часов с цезиевым фонтаном , действовавшего в то время по международному стандарту NIST-F1, составляла около 3,1 × 10 -16, как ожидалось, ни прирост, ни потерять секунду за более чем 100 миллионов ( 100 × 10 6 ) лет. В июле 2019 года ученые NIST продемонстрировали такие часы с общей неопределенностью 9,4 × 10 −19 (отклонение на одну секунду каждые 33,7 миллиарда лет), что является первой демонстрацией часов с неопределенностью ниже 10 −18 .
Квантовое замедление времени
В статье 2020 года ученые проиллюстрировали это и то, как квантовые часы могут испытывать возможно экспериментально проверяемую суперпозицию собственных времен через замедление времени в теории относительности, когда время течет медленнее для одного объекта по сравнению с другим объектом, когда первый движется с более высокой скоростью. . В «квантовом замедлении времени» один из двух часов движется в суперпозиции двух волновых пакетов с локализованным импульсом , что приводит к переходу к классическому замедлению времени.
Гравитационное замедление времени в повседневных лабораторных условиях
В 2010 году в ходе эксперимента два квантовых часа с ионами алюминия были помещены близко друг к другу, но при этом вторые были подняты на 12 дюймов (30,5 см) по сравнению с первыми, что сделало эффект гравитационного замедления времени видимым в повседневных лабораторных весах.
Более точные экспериментальные часы
Точность квантовых часов была ненадолго заменена часами на оптической решетке на основе стронция-87 и иттербия-171 до 2019 года. Экспериментальные часы на оптической решетке были описаны в статье Nature 2014 года. В 2015 году JILA оценила абсолютную погрешность частоты своих последних оптических решетчатых часов на основе стронция-87 430 ТГц в 2,1 × 10 -18 , что соответствует измеряемому гравитационному замедлению времени для изменения высоты на 2 см (0,79 дюйма) на планете Земля, что, согласно Члену JILA / NIST Джун Йе «очень близко к тому, чтобы быть полезным для релятивистской геодезии ». При такой неопределенности частоты ожидается, что эти оптические часы с оптической решеткой JILA не увеличат и не потеряют ни секунды за более чем 15 миллиардов ( 1,5 × 10 10 ) лет.