En exakt analog klocka ticka-ticka med en konstant precision och välkänd frekvens:en fästing per sekund. Ju längre du låter det ticka, desto bättre att testa dess noggrannhet-10 gånger så länge motsvarar en tiofaldig förbättring av eventuell frekvensosäkerhet. Men finns det ett snabbare sätt att bestämma en frekvens?

Det visar sig att det finns, i en ny upptäckt som publicerades den här veckan i Fysiska granskningsbrev genom ett samarbete mellan en professor vid Washington University i St. Louis och doktorand tillsammans med en forskare vid University of Rochester.

Hastigheten i frekvensmätning kommer från kvantmekanik. När en kvantbit används för att mäta frekvensen för en signal, de kvantemekaniska märkliga reglerna gör att frekvensmätningen kan bli mycket mer exakt. Tekniken beror på förmågan att sätta kvantbiten i en superposition av dess två kvanttillstånd, och sedan flytta dessa tillstånd i tid med signalen.

Kater Murch, biträdande professor i fysik i konst och vetenskap, tillsammans med doktoranden Mahdi Naghiloo och teorisamarbetaren Andrew Jordan från Rochester beskrev tekniken som ett "kvantmagiskt trick".

"Det påminner om de magiska trick som involverar en boll placerad under en av två koppar och kopparna blandas runt - utom den här gången, bollen kan ligga under båda kopparna samtidigt, "Sa Murch." Den resulterande hastigheten i frekvensmätning är häpnadsväckande. Nu, genom att mäta 10 gånger så länge, frekvensosäkerheten kan minskas med en faktor 100 - vilket möjliggör förbättrad upplösning av frekvensen utöver någon annan teknik i sitt slag. Tidigare teoriverk som publicerats av Jordan -gruppen i år har bevisat i två separata artiklar att tekniken som används i detta dokument är det teoretiska optimalt som kvantmekaniken tillåter. "

Experimentet slutfördes med hjälp av ett supraledande kvantsystem där en extern oscillerande signal med okänd frekvens fick kvantsystemet att genomgå periodiska förändringar. Genom att applicera kvantpulser ovanpå den oscillerande signalen, systemets tillstånd kunde kontrolleras så att den slutliga avläsningen av kvantsystemet blev mycket känslig för det exakta värdet av oscillationsfrekvensen. Den underliggande fysiska källan till fördelen är relaterad till det faktum att kvantsystemets energi är tidsberoende, vilket gör att kvanttillstånden som motsvarar olika frekvenser accelererar bort från varandra, ger ökad urskiljbarhet under en viss tid.

Denna metod tillät förbättrad upplösning av frekvensen utöver någon annan teknik i sitt slag, Sa Jordan.

Detta arbete är bara ett exempel på hur det nya området för kvantteknologi använder kvantfysikens lagar för teknisk fördel framför klassisk fysik, Sa Jordan. Andra exempel inkluderar kvantberäkning, kvantavkänning och kvantsimulering. För dessa fält, utnyttjandet av kvantfysiken ger fördelar som en snabbare databassökning, factoring av stora antal eller snabb simulering av komplexa molekyler.

Sådan finskalig mätning av frekvensen för en periodisk signal är den grundläggande ingrediensen i olika tillämpningar, inklusive medicinsk bildhanteringsutrustning, analys av ljus som avges från stjärnor och, självklart, klockans precision. Att påskynda dessa mätningar på ett sätt som Murch och Jordan har visat kan ha stor inverkan på många områden.

Murch och Naghiloo använde tidtagning och GPS, och sådan ständigt avancerad teknik, som exempel på vikten av deras fynd.

"Nu för tiden, de flesta av oss bär en telefon i fickan som kan berätta nästan exakt var vi är på jorden med hjälp av Global Positioning System, "Murch sa." Så här fungerar är att din telefon tar emot signaler från flera olika satelliter, och genom att tajma den relativa ankomsten av dessa signaler leder det till din position. Tidens noggrannhet relaterar direkt till noggrannheten i din position - ett förhållande mellan tidtagning och navigering som har bestått i hundratals år.

"Långt innan GPS, en sjöman som ville veta sin plats skulle navigera efter stjärnorna. På norra halvklotet, nordstjärnans höjd kommer att berätta din latitud, men att veta din longitud, du måste hålla reda på tiden. När natten går, stjärnorna cirklar runt norrstjärnan - höjden på någon stjärna ovanför horisonten är relaterad till lokal tid, och genom att jämföra denna tid med en klocka inställd på Greenwich Mean Time, tidsskillnaden ger din longitud. "

Nautisk tidtagning understryker vitaliteten i frekvensframsteg.

"På 1700 -talet exakta klockor var den främsta begränsningen för havsnavigering, "Sa Murch." Scilly -marinolyckan 1707 - en av de värsta katastroferna i brittisk marinhistoria - skylldes allmänt på dålig navigering, vilket fick den brittiska regeringen att investera stort i exakta klockor. De resulterande kronometrarna förvandlade marin navigering och påskyndade upptäcktsåldern kraftigt.

"Framsteg inom tidtagning fortsätter att ha stor inverkan på teknik och grundvetenskap. Kvantverktyg, till exempel kvanthastigheten vid frekvensmätning som vi upptäckte, är nödvändiga för att driva denna teknik framåt. Detta är en spännande tid för kvantfysik eftersom dessa kvantresurser alltmer leder till praktiska fördelar jämfört med traditionella mätmetoder. "