Atomklockor är en klass av klockor som utnyttjar atomers resonansfrekvenser för att hålla tiden med hög precision. Även om dessa klockor har blivit allt mer avancerade och exakta under åren, kanske befintliga versioner inte utnyttjar de resurser de förlitar sig på för att hålla tiden på bästa sätt.
Forskare vid California Institute of Technology undersökte nyligen möjligheten att använda kvantberäkningstekniker för att ytterligare förbättra prestandan hos atomklockor. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , introducerar ett nytt schema som möjliggör samtidig användning av flera atomur för att hålla tiden med ännu större precision.
"Atomklockor är decennier gamla, men deras prestanda förbättras varje år," sa Adam Shaw, medförfattare till tidningen, till Phys.org.
"Samtidigt har det under de senaste åren skett ett stort framsteg inom atomfysikgemenskapen för att utveckla så kallade kvantdatorer, anordningar som kontrollerar individuella atomers kvanttillstånd för att utföra beräkningar utöver en vanlig dators kapacitet. Medan klockor och datorer är till synes ganska olika, de senaste åren har folk insett att de kan vara mycket synergistiska."
Huvudsyftet med den senaste studien av Shaw och hans kollegor var att använda några av de verktyg som ligger till grund för kvantdatorernas funktion för att förbättra atomklockorna. För att göra detta realiserade forskarna experimentellt ett 10 år gammalt teoretiskt förslag, som innebär samtidig användning av flera klockor för att hålla tiden bättre än en enskild klocka skulle göra, genom att se till att var och en av dem registrerar tidens gång i olika takt.
"Tanken är i princip densamma som att ha flera visare på en klocka:en timvisare för att hålla reda på längre tidsförändringar och en minutvisare för att mer exakt hålla reda på kortare tidsförändringar," förklarade Shaw. "Vad vi har gjort är i grunden att bygga en sådan flervisarklocka på atomär skala. För att göra det demonstrerar vi ett nytt sätt att kontrollera det elektroniska tillståndet hos enskilda atomer med mycket hög tillförlitlighet genom att ändra deras positioner i en laserstråle."
Forskarna använde sin föreslagna teknik för att kontrollera enskilda atomer i atomur. Specifikt såg de till att varje atom effektivt upplevde tidens gång långsammare eller snabbare, beroende på deras dynamiska position i förhållande till den applicerade laserstrålen.
"De nuvarande mest exakta klockorna i världen fungerar genom att mäta tidens gång med en stor ensemble av atomer, men vi visar att individuell kontroll kan leda till bättre prestanda," sa Shaw. "Mer generellt visar vårt arbete kraften i att kombinera funktionerna hos kvantdatorer och kvantsensorer, en förening som många andra grupper arbetar för att uppnå och förbättra."
De första resultaten som samlats in av Shaw och hans kollegor är mycket uppmuntrande och belyser potentialen hos kvantberäkningstekniker inom metrologiforskning. I framtiden kan den här studien inspirera till utvecklingen av andra programmerbara kvantoptiska klockor som ger ännu bättre prestanda.
En vecka efter att teamet publicerat sin uppsats publicerade en annan forskargrupp under ledning av Shimon Kolkowitz vid Berkeley en artikel som försökte realisera en liknande flervisarklocka i Physical Review X . Deras flervisares klocka skapades med en annan teknik, men den belyser också fördelarna med att förlita sig på mer än en atomur åt gången.
"I vår senaste tidning kontrollerade vi flera individuella atomur, men själva klockorna var relativt enkla:bara enstaka atomer," tillade Shaw.
"Vi arbetar nu med att använda kvantintrassling mellan enskilda atomer inom varje klocka så att varje "visare" på vår atomklocka blir mer exakt. Att göra det borde förbättra klockprestandan och skulle vara en sann hybrid av en kvantdator och en atomklocka. "
Mer information: Adam L. Shaw et al, Multi-ensemble metrologi genom att programmera lokala rotationer med atomrörelser, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02323-w.
Xin Zheng et al, Reducing the Instability of an Optical Lattice Clock Using Multiple Atomic Ensembles, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011006.
Journalinformation: Naturfysik , Fysisk granskning X
© 2024 Science X Network
