Kredit:CC0 Public Domain
Quantum klockor krymper, tack vare ny teknik utvecklad vid University of Birmingham-ledda UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing
I samarbete med och delvis finansierat av Storbritanniens Defense Science and Technology Laboratory (Dstl), har ett team av kvantfysiker tagit fram nya tillvägagångssätt som inte bara minskar storleken på deras klocka utan också gör den robust nog att transporteras ut ur laboratorier och anställd i den "verkliga världen".
Kvant- eller atomklockor ses allmänt som väsentliga för allt mer exakta tillvägagångssätt till områden som onlinekommunikation över hela världen, navigationssystem eller global handel med aktier, där bråkdelar av sekunder kan göra en enorm ekonomisk skillnad. Atomklockor med optiska klockfrekvenser kan vara 10 000 gånger mer exakta än sina motsvarigheter i mikrovågor, vilket öppnar för möjligheten att omdefiniera standardmåttenheten (SI).
Ännu mer avancerade optiska klockor kan en dag göra en betydande skillnad både i vardagen och i grundvetenskapen. Genom att tillåta längre perioder mellan behov av omsynkronisering än andra typer av klockor, erbjuder de ökad motståndskraft för nationell tidtagningsinfrastruktur och låser upp framtida positionerings- och navigeringsapplikationer för autonoma fordon. Den oöverträffade noggrannheten hos dessa klockor kan också hjälpa oss att se bortom standardmodeller av fysik och förstå några av de mest mystiska aspekterna av universum, inklusive mörk materia och mörk energi. Sådana klockor kommer också att hjälpa till att ta itu med grundläggande fysikfrågor som om de fundamentala konstanterna verkligen är "konstanter" eller om de varierar med tiden
Ledande forskare, Dr Yogeshwar Kale, säger att "stabiliteten och precisionen hos optiska klockor gör dem avgörande för många framtida informationsnätverk och kommunikationer. När vi väl har ett system som är redo att användas utanför laboratoriet kan vi använda dem t.ex. , navigationsnätverk på marken där alla sådana klockor är anslutna via optisk fiber och börjat prata med varandra. Sådana nätverk kommer att minska vårt beroende av GPS-system, som ibland kan misslyckas."
"Dessa transportabla optiska klockor kommer inte bara att hjälpa till att förbättra geodetiska mätningar - de grundläggande egenskaperna hos jordens form och gravitationsvariationer - utan kommer också att fungera som föregångare för att övervaka och identifiera geodynamiska signaler som jordbävningar och vulkaner i tidiga skeden."
Även om sådana kvantklockor går snabbt framåt, är viktiga hinder för att använda dem deras storlek – nuvarande modeller kommer i en skåpbil eller i en bilsläpvagn och är cirka 1 500 liter – och deras känslighet för miljöförhållanden som begränsar deras transport mellan olika platser.
Birmingham-teamet, baserat inom UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing, har kommit fram till en lösning som tar itu med båda dessa utmaningar i ett paket som är en "låda" på cirka 120 liter som väger mindre än 75 kg. Verket publiceras i Quantum Science and Technology.
En talesperson för Dstl tillade att "Dstl ser optisk klockteknologi som en nyckel möjliggörare för framtida kapacitet för försvarsministeriet. Dessa typer av klockor har potential att forma framtiden genom att ge nationell infrastruktur ökad motståndskraft och förändra sättet att kommunikation och sensornätverk är designade. Med Dstls stöd har University of Birmingham gjort betydande framsteg när det gäller att miniatyrisera många av delsystemen i en optisk gitterklocka, och genom att göra det övervunnit många betydande tekniska utmaningar. Vi ser fram emot att se vilka ytterligare framsteg de kan göra i detta spännande och snabbrörliga fält."
Klockorna fungerar genom att använda lasrar för att både producera och sedan mäta kvantoscillationer i atomer. Dessa svängningar kan mätas mycket noggrant och utifrån frekvensen är det möjligt att även mäta tiden. En utmaning är att minimera den yttre påverkan på mätningarna, såsom mekaniska vibrationer och elektromagnetiska störningar. För att göra det måste mätningarna ske inom ett vakuum och med minimal extern störning.
Kärnan i den nya designen är en ultrahög vakuumkammare, mindre än någon annan som ännu används inom området kvanttidhållning. Denna kammare kan användas för att fånga atomerna och sedan kyla ner dem mycket nära det "absoluta noll"-värdet så att de når ett tillstånd där de kan användas för precisionskvantsensorer.
Teamet visade att de kunde fånga nästan 160 tusen ultrakalla atomer i kammaren på mindre än en sekund. Dessutom visade de att de kunde transportera systemet över 200 km, innan de satte upp det för att vara redo att göra mätningar på mindre än 90 minuter. Systemet kunde överleva en temperaturökning på 8 grader över rumstemperaturen under resan.
Dr. Kale, tillade att de "har kunnat visa ett robust och fjädrande system, som kan transporteras och ställas in snabbt av en enda utbildad tekniker. Detta för oss ett steg närmare att se dessa mycket exakta kvantinstrument användas i utmanande miljöer utanför en laboratoriemiljö." + Utforska vidare
