양자 시계

Quantum clock

양자시계는 레이저 냉각된 단일 이온이 전자파 이온 트랩에 함께 갇힌 원자시계의 한 종류입니다.미국 국립표준기술연구소(National Standards and Technology)로 물리학자들이 2010년에 개발한 이 시계는 당시 국제 [1]표준보다 37배나 더 정확했다.양자 논리 클럭은 논리 원자를 가진 알루미늄 분광 이온을 기반으로 합니다.

알루미늄 기반의 양자시계와 수은 기반의 광원자시계 모두 UV레이저를 이용한 광주파수의 이온진동에 의해 시간을 추적하는데, 이는 NIST-F1 및 기타 유사한 시간 표준에서 사용되는 마이크로파 주파수보다 10만 배 높은 것이다.이와 같은 양자 시계는 마이크로파 기준보다 훨씬 더 정밀할 수 있습니다.

정확성.

단일 알루미늄 이온을 기반으로 한 NIST 2010 양자 논리 클럭

NIST 팀은 초당 클럭 틱을 측정할 수 없다. 왜냐하면 초의 정의는 표준 NIST-F1에 기초하기 때문이다. 표준 NIST-F1은 자신보다 더 정밀하게 기계를 측정할 수 없다.다만, 알루미늄 이온 클럭의 측정 주파수는 현재 표준으로 1121015393207857.4([2]7)Hz입니다.NIST는 이 시계가 배경 자기장과 전기장에 민감하지 않고 [3]온도의 영향을 받지 않기 때문에 정확도가 높다고 보고 있습니다.

2008년 3월, NIST의 물리학자들은 베릴륨과 알루미늄의 개별 이온에 기초한 실험 양자 논리 시계를 설명했습니다.이 시계는 NIST의 수은 이온 시계와 비교되었다.이것들은 10억 [4]년 이상 동안 1초를 초과하는 속도로 시간을 벌거나 잃지 않고 만들어진 가장 정확한 시계였습니다.

2010년 2월, NIST 물리학자들은 마그네슘과 알루미늄의 개별 이온을 기반으로 한 두 번째 향상된 양자 논리 시계의 버전을 설명했습니다.8.6 × 10의−18 분수 주파수 부정확성으로 2010년 세계에서 가장 정확한 시계로 간주되는 이 시계는 [5]원본의 두 배 이상의 정밀도를 제공합니다.[6] 표준 편차의 관점에서, 양자 논리 시계는 36억 8천만 년(3.68 × 109)년마다 1초씩 어긋나는 반면, 당시 국제 표준 NIST-F1 세슘 분수 원자 시계 불확실성은 약 3−16.1 × 10이었다. 1억 년([7]100 × 106)년 후에는 1초를 얻거나 잃지 않을 것으로 예상되었다.[8] 2019년 7월 NIST 과학자들은 9.4 × 10−19(매 337억 년마다 1초씩 감소)의 총 불확실성을 가진 시계를 시연했다. 이는 불확실성이 10 [9][10][11]미만인−18 시계를 최초로 입증한 것이다.

양자 시간 확장

"두 개의 시계가 민코프스키 공간에서 움직이는 것으로 묘사됩니다.클럭 B는 평균 모멘텀B p의 국소 모멘텀파 패킷 내에서 이동하며, 클럭A는 평균A 모멘텀 p와A p0의 국소 모멘텀파 패킷의 중첩으로 이동한다.클럭 A는 고전적이지 않은 [12]동작 상태로 인해 클럭 B에 대해 관찰되는 시간 연장에 양자적인 기여를 합니다."

2020년 논문에서 과학자들은 양자시계가 상대성 이론의 시간 연장을 통해 실험적으로 적절한 시간의 중첩을 경험할 수 있다는 것을, 그리고 어떻게 양자시계가 더 빠른 속도로 움직일 때 다른 물체에 비해 시간이 더 느리게 지나가는지를 설명했다.「양자 시간 확장」에서는, 2개의 클럭 중 하나가 2개의 국소적인 운동량 파형 [further explanation needed]패킷의 중첩으로 이동해, 종래의 시간 [13][14][12]확장이 변화합니다.

일상 실험실 스케일의 중력 시간 연장

참고 항목: 파운드-렙카 실험

2010년에는 두 개의 알루미늄 이온 양자 시계를 서로 가깝게 배치했지만, 두 번째 시계는 첫 번째에 비해 12인치(30.5cm) 높아져 중력 시간 확장 효과가 매일의 실험실 [15]척도에서 볼 수 있게 되었다.

2021년 10월 물리학자 준예(Jun Ye)가 이끄는 한 그룹은 레이저로 들뜬 10만 스트론튬 원자의 1mm 높이 초극성 구름의 상단과 하단의 광학 격자 시계에서 10의−17 시차를 측정해 양쪽의 똑딱거리는 주파수를 비교했다.매직[16][17] 파장의 튜닝으로 큰 노이즈 저감 실현

보다 정확한 실험 클럭

양자 [9][10][11]클럭의 정확도는 2019년까지 스트론튬-87과 이터비움-171에 기반한 광학 격자 클럭으로 잠시 대체되었다.실험적인 광학 격자 시계가 2014년 네이처 [18]논문에 설명되어 있습니다.2015년에 JILA 2.1× 10−18 2)(0.79에)의 지구가 JILA/NIST는 동료 준 예도 에 따르면"아주 가까이 지내는 것이 행성에서 고도 변화를 위한 측정 가능한 중력 시간 팽창에 해당합니다에서 그들의 최신 strontium-87 429THz(429228004229873.0 Hz[19])광학 격자 시계의 절대 빈도 불확실성을 평가했다.존재상대론적 측지학에 유용하다."[20][21][22]이 주파수 불확실성에서는 이 JILA 광격자 광학 클럭은 150억 [23]년(1.5 × 1010) 이상 경과해도 1초의 이득도 손실도 없을 것으로 예상됩니다.

2022년 2월 16일 네이처지는 준예가 스트론튬-87 양자 격자 시계를 사용하여 중력 적색편이를 [24][25]1mm까지 관찰할 수 있었다고 발표했다(이전 측정치는 최소 30cm로 제한되었다).

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Ghose, Tia (5 February 2010). "Ultra-Precise Quantum-Logic Clock Puts Old Atomic Clock to Shame". Wired. Retrieved 2010-02-07.
  2. ^ Rosenband, T.; Hume, D. B.; Schmidt, P. O.; Chou, C. W.; Brusch, A.; Lorini, L.; Oskay, W. H.; Drullinger, R. E.; Fortier, T. M.; Stalnaker, J. E.; Diddams, S. A.; Swann, W. C.; Newbury, N. R.; Itano, W. M.; Wineland, D. J.; Bergquist, J. C. (28 March 2008). "Frequency Ratio of Al+ and Hg+ Single-ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place" (PDF). Science. 319 (5871): 1808–1812. Bibcode:2008Sci...319.1808R. doi:10.1126/science.1154622. PMID 18323415. S2CID 206511320. Retrieved 2013-07-31.
  3. ^ "Quantum Clock Proves to be as Accurate as World's Most Accurate Clock". azonano.com. 7 March 2008. Retrieved 2012-11-06.
  4. ^ Swenson, Gayle (7 June 2010). "Press release: NIST 'Quantum Logic Clock' Rivals Mercury Ion as World's Most Accurate Clock". NIST.
  5. ^ NIST의 알루미늄 이온 기반의 두 번째 'Quantum Logic Clock'은 현재 세계에서 가장 정확한 클럭, NIST, 2010년 2월 4일
  6. ^ C.W Chou; D. Hume; J.C.J. Koelemeij; D.J. Wineland & T. Rosenband (17 February 2010). "Frequency Comparison of Two High-Accuracy Al+ Optical Clocks" (PDF). Physical Review Letters. 104 (7): 070802. arXiv:0911.4527. Bibcode:2010PhRvL.104g0802C. doi:10.1103/PhysRevLett.104.070802. PMID 20366869. S2CID 13936087. Retrieved 9 February 2011.
  7. ^ "NIST's Second 'Quantum Logic Clock' Based on Aluminum Ion is Now World's Most Precise Clock" (Press release). National Institute of Standards and Technology. 4 February 2010. Retrieved 2012-11-04.
  8. ^ "NIST-F1 Cesium Fountain Atomic Clock: The Primary Time and Frequency Standard for the United States". NIST. August 26, 2009. Retrieved 2 May 2011.
  9. ^ a b Brewer, S. M.; Chen, J.-S.; Hankin, A. M.; Clements, E. R.; Chou, C. W.; Wineland, D. J.; Hume, D. B.; Leibrandt, D. R. (2019-07-15). "Al + 27 Quantum-Logic Clock with a Systematic Uncertainty below 10 − 18". Physical Review Letters. 123 (3): 033201. arXiv:1902.07694. doi:10.1103/PhysRevLett.123.033201. PMID 31386450. S2CID 119075546.
  10. ^ a b Wills, Stewart (July 2019). "Optical Clock Precision Breaks New Ground".
  11. ^ a b Dubé, Pierre (2019-07-15). "Viewpoint: Ion Clock Busts into New Precision Regime". Physics. 12. doi:10.1103/Physics.12.79. S2CID 199119436.
  12. ^ a b Smith, Alexander R. H.; Ahmadi, Mehdi (23 October 2020). "Quantum clocks observe classical and quantum time dilation". Nature Communications. 11 (1): 5360. arXiv:1904.12390. Bibcode:2020NatCo..11.5360S. doi:10.1038/s41467-020-18264-4. ISSN 2041-1723. PMC 7584645. PMID 33097702. CC-BY icon.svg CC BY 4.0에서 사용 가능(일부 컨텐츠는 여기에서 사용).
  13. ^ "Timekeeping theory combines quantum clocks and Einstein's relativity". phys.org. Retrieved 10 November 2020.
  14. ^ O'Callaghan, Jonathan. "Quantum Time Twist Offers a Way to Create Schrödinger's Clock". Scientific American. Retrieved 10 November 2020.
  15. ^ "Einstein's time dilation apparent when obeying the speed limit" (Press release). Ars Technica. 24 September 2010. Retrieved 2015-04-10.
  16. ^ Bothwell, Tobias; Kennedy, Colin J.; Aeppli, Alexander; Kedar, Dhruv; Robinson, John M.; Oelker, Eric; Staron, Alexander; Ye, Jun (2022). "Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample". Nature. 602 (7897): 420–424. arXiv:2109.12238. Bibcode:2022Natur.602..420B. doi:10.1038/s41586-021-04349-7. PMID 35173346. S2CID 237940816.
  17. ^ McCormick, Katie (2021-10-25). "An Ultra-Precise Clock Shows How to Link the Quantum World With Gravity". Quanta Magazine. Retrieved 2021-10-29.
  18. ^ Bloom, B. J.; Nicholson, T. L.; Williams, J. R.; Campbell, S. L.; Bishof, M.; Zhang, X.; Zhang, W.; Bromley, S. L.; Ye, J. (22 January 2014). "An optical lattice clock with accuracy and stability at the 10−18 level". Nature. 506 (7486): 71–5. arXiv:1309.1137. Bibcode:2014Natur.506...71B. doi:10.1038/s41586-021-04349-7. PMID 24463513. S2CID 4461081.
  19. ^ Yasuda, Masami; Ido, Tetsuya. "Report from TCTF/TCL JWG on Optical Frequency Metrology, TCTF Meeting, Delhi, India, 27 November 2017". APMP. Asia-Pacific Metrology Programme. Retrieved 8 November 2021.
  20. ^ T.L. Nicholson; S.L. Campbell; R.B. Hutson; G.E. Marti; B.J. Bloom; R.L. McNally; W. Zhang; M.D. Barrett; M.S. Safronova; G.F. Strouse; W.L. Tew; J. Ye (21 April 2015). "Systematic evaluation of an atomic clock at 2 × 10−18 total uncertainty". Nature Communications. 6: 6896. arXiv:1412.8261. Bibcode:2015NatCo...6.6896N. doi:10.1038/ncomms7896. PMC 4411304. PMID 25898253.
  21. ^ JILA Scientific Communications (21 April 2015). "About Time". Archived from the original on 19 September 2015. Retrieved 27 June 2015.
  22. ^ Laura Ost (21 April 2015). "Getting Better All the Time: JILA Strontium Atomic Clock Sets New Record". National Institute of Standards and Technology. Retrieved 17 October 2015.
  23. ^ James Vincent (22 April 2015). "The most accurate clock ever built only loses one second every 15 billion years". The Verge. Retrieved 26 June 2015.
  24. ^ Nield, David. "Atomic Clocks Experiment Reveals Time Dilation at The Smallest Scale Ever". Science Alert. Science Alert. Retrieved 17 February 2022.
  25. ^ Ye, Jun; Bothwell, Bothwell; Kennedy, Colin J.; Aeppli, Alexander; Kedar, Dhruv; Robinson, John M.; Oelker, Eric; Staron, Alexander (February 17, 2022). "Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample". Nature. 602 (2022) (7897): 420–424. arXiv:2109.12238. Bibcode:2022Natur.602..420B. doi:10.1038/s41586-021-04349-7. PMID 35173346. S2CID 237940816. Retrieved 17 February 2022.