JAV mokslininkai sukūrė laikrodį, kuris yra 100 kartų tikslesnis nei dabartiniu metu oficialiems laiko matavimams naudojami tarptautinio standarto atominiai laikrodžiai. Kvantinės logikos principu veikiantis kvantinis laikrodis detektuoja vieno aliuminio jono energetinę būseną. Įtaiso paklaida per 3,7 milijardo metų siekia 1 sekundę.
JAV mokslininkai sukūrė laikrodį, kuris yra 100 kartų tikslesnis nei dabartiniu metu oficialiems laiko matavimams naudojami tarptautinio standarto atominiai laikrodžiai.
Kvantinės logikos principu veikiantis kvantinis laikrodis detektuoja vieno aliuminio jono energetinę būseną. Įtaiso paklaida per 3,7 milijardo metų siekia 1 sekundę. Tikėtina, jog artimiausioje ateityje toks išradimas leis padidinti GPS tikslumą arba detektuoti pagal Einšteino bendrąją reliatyvumo teoriją prognozuojamą laiko sulėtėjimą. „Įrenginys galėtų tapti realiu kandidatu kuriant naują dažnio etaloną arba naujos kartos laiko sekimo ir matavimo aparatūrą“, – teigia tyrimui vadovavęs Boulder (JAV) Nacionalinio standartų ir technologijų instituto (NIST) fizikas Chin-wen (James) Chou. Jo vadovaujamos komandos pasiekimai aprašyti numatytame publikuoti moksliniame žurnale „Physical Review Letters“.
 Chou prie kvantinio laikrodžio. ©J. Burrus/NIST |
|---|
Chou komanda yra viena iš daugelio, bandančių sukurti naują pamainą dabartiniam tarptautiniam standartui – atominiam cezio laikrodžiui. Cezio laikrodžio paklaida siekia maždaug vieną sekundę per 100 milijonų metų (dažnio matavimo paklaida 5,1e-16 – dabartinis JAV nacionalinis standartas). Chou komandos kūrinys nėra pirmasis pasaulyje kvantinis laikrodis, tačiau jame panaudojus aliuminio ir magnio jonus, tikslumą pavyko padidinti du kartus, lyginant su aliuminį ir berilį naudojančiais jo pirmtakais (naujausio modelio dažnio tikslumas siekia 8,6 e-18).
Kvantinis laikrodis laiką matuoja sekdamas ultravioletinio diapazono lazerių dažnio svyravimus. Deja, net patys geriausi pasaulyje lazeriai nuo savo normalaus svyravimo dažnio nukrypsta vienu taktu per valandą, teigia Chou. Norint padidinti lazerio dažnio stabilumą, jo dažnio svyravimą reikia sieti su kažkuo daug stabilesniu. Atraminiam dažniui generuoti panaudotas elektriškai įkrautas aliuminio atomas, vibruojantis 1,1 Petaherco (PHz), arba 1,1 kvadrilijono kartų per sekundę dažniu.
Pirmasis etapas matuojant jono vibracijas atliekamas apšaudant jį ultravioletinių (UV) spindulių lazeriais, kurių dažnis yra suderintas su įkrauto atomo vibracijomis. Šis aliuminio jonas gali būti arba žemos, arba aukštos kvantinės energijos būsenoje. „Jei lazerio dažnis atitinka jono dažnį, tada jonas pakeičia savo būseną, tačiau jei lazerio dažnis bent šiek tiek nukrypsta, jonas savo būseną keičia, tačiau ne taip efektyviai, – aiškina mokslininkas. – Pagal šį efektyvumo pokytį mes galime paderinti lazerį, kad jo dažnis vėl sutaptų su aliuminio jono dažniu.“
Keista, tačiau mokslininkų komanda negali tiksliai pasakyti, kiek kartų laikrodis sutiksi per vieną sekundę. Taip yra todėl, kad dabartinis sekundės etalonas remiasi vadinamuoju cezio fontano laikrodžiu, kuriuo negalima išmatuoti už jį tikslesnio aparato tikslumo. Cezio atominiai laikrodžiai veikia panašiu principu kaip ir kvantinis aliuminio jonų laikrodis, tačiau kaip atraminį dažnį naudoja cezio atomo vibracijas, su kuriuo sieja mikrobangų šaltinio dažnį.
Ateityje tikslūs kvantiniai laikrodžiai gali padėti atskleisti fizikus kamuojančius klausimus apie universalias fizikines konstantas, tokias kaip šviesos greitis vakuume arba Planko konstanta. Teoretikų nuomone, fizikinės konstantos bėgant laikui turėtų išlikti pastovios, tačiau kai kurios teorijos teigia, jog konstantos šiek tiek gali kisti. „Kvantiniai laikrodžiai galbūt leis išmatuoti šį mažyti kitimą“, – sako specialistas. Nuo atominių laikrodžių tikslumo itin priklauso ir globaliosios pozicionavimo sistemos (GPS). „Jei galėsime tiksliau matuoti laiką, galėsime geriau išmatuoti ir savo padėtį“, – sako Chou. Be to, šie laikrodžiai potencialiai gali leisti mokslininkams pademonstruoti bendrosios reliatyvumo teorijos reiškinius, pavyzdžiui, nustatant, kiek stipriai gravitacija iškreipia laiką.
Kol kas planų aliuminio jonų laikrodį naudoti kaip oficialų tarptautinį laiko standartą dar nėra. Norint tą įgyvendinti, aparato taktinį dažnį reikėtų perduoti visam pasauliui – tą atlikti galima naudojant optinius kabelius, tačiau jie stabilų dažnį gali išlaikyti tik maždaug 100km ilgio atkarpose.
Parengta pagal:
- Quantum Logic Clock 100,000 More Accurate than Standard Atomic Clock (Neatorama).
- Ultra-Precise Quantum-Logic Clock Puts Old Atomic Clock to Shame (Wired).
