NISTs kvantelogikur vender tilbage til topydelsen

Kvantelogikuret - måske bedst kendt for at vise dig ældre hurtigere, hvis du står på en skammel - er klatret tilbage til de førende præstationsklasser i verdens eksperimentelle atomure.

Fysikere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har stille og roligt opgraderet deres kvantelogiske urdesign i de sidste otte år, hovedsageligt for at reducere fejl ved uønsket bevægelse af den enkelte aluminiumion (elektrisk ladet atom), der giver uret "ticks".

Som beskrevet i Fysisk gennemgangsbreve , kvantelogikurets systematiske usikkerhed (hvor tæt uret repræsenterer ionens naturlige vibrationer, eller frekvens) er 9,5 × 10? 19, det bedste af ethvert ur på verdensplan. Det betyder, at det logiske ur nu hverken ville vinde eller tabe et sekund på 33 milliarder år, hvilket er cirka to og en halv gange universets estimerede alder.

I denne måling, den overgår nu begge NIST -ure ved hjælp af neutrale atomer fanget i gitter af laserstråler, ytterbiumgitteruret og strontiumgitteruret.

"Logikurets ydelse er ikke overraskende for mig, "sagde projektleder David Leibrandt." Ionure er naturligvis bedre isoleret fra miljøet - hvilket er kilden til unøjagtighed for atomure - end gitterure. Det er vigtigt at skelne mellem præcision og stabilitet på dette punkt. Folk forventer, at gitterure skal fungere bedst i stabilitet, og det gør de i øjeblikket. Vores nyeste kvantelogikur er verdens førende inden for præcision, men ikke stabilitet. "

Logikurets stabilitet (hvor lang tid det tager at måle tiden) er 1,2 × 10 ^-15 til en måling på 1 sekund, hvilket er nær det bedste opnået med et enkelt ionur, men cirka 10 gange værre end begge NIST gitterure.

Kvantelogikuret fik sit kaldenavn, fordi det låner logiske beslutningstagningsteknikker fra eksperimentel kvanteberegning. Aluminium er en usædvanlig stabil kilde til urskov, vibrerer mellem to energiniveauer over en million milliarder gange i sekundet, men dens egenskaber manipuleres eller opdages ikke let med lasere. Så, logiske operationer med en partner magnesiumion bruges til at afkøle aluminiumet og signalere dets flåter.

Tilbage i 2010, NISTs kvantelogiske ur havde den bedste ydeevne af ethvert eksperimentelt atomur. Uret vakte også opmærksomhed for 2010 demonstrationer af "tidsudvidelse" aspekter af Einsteins relativitetsteorier:at tiden går hurtigere ved højere højder, men langsommere, når du bevæger dig hurtigere.

Siden da, NISTs gitterure har løbende sprunget hinanden i ydeevne, giver indtryk af et løb om at identificere en enkelt vinder. Faktisk, alle ure er nyttige til forskningsformål og er mulige kandidater til fremtidige tidsstandarder eller andre applikationer.

Den internationale definition af den anden (i det internationale enhedssystem, eller SI) har været baseret på cæsiumatomet siden 1967, så cæsium forbliver "linealen" for officiel tidtagning. Det logiske ur er en kandidat til, at en fremtidig tidsstandard vælges af det internationale videnskabelige samfund. NIST -forskere arbejder på flere forskellige typer af eksperimentelle ure, hver baseret på forskellige atomer og tilbyder sine egne fordele. Alle disse eksperimentelle ure er baseret på optiske frekvenser, som er højere end de mikrobølgefrekvenser, der bruges i nutidens tidtagningsstandarder baseret på cæsium.

Flere tekniske fremskridt muliggjorde den forbedrede ydelse af det logiske ur, herunder et nyt ionfældedesign, der reducerede varmeinduceret ionbevægelse, muliggøre drift nær den ønskelige grundtilstand, eller laveste bevægelsesenerginiveau. Ud over, en lavere frekvens blev brugt til at betjene ionfælden, reducere uønsket ionbevægelse forårsaget af det elektriske felt, der bruges til at fange ionerne. Endelig, forbedret kvantestyring har reduceret usikkerheden ved målinger af frekvensskift på grund af ionbevægelse.

Urets præcision blev bestemt ved at måle og optælle frekvensskift forårsaget af ni forskellige effekter. Stabilitet blev målt ved sammenligning med NISTs ytterbium gitterur.

Yderligere forbedringer i fældedesign og andre funktioner er planlagt for yderligere at forbedre ydeevnen. Allerede, NISTs tre eksperimentelle ure kan sammenlignes for at forbedre målinger af mulige ændringer i nogle af de grundlæggende "konstanter" i naturen, en undersøgelseslinje, der har vigtige implikationer for kosmologi og test af fysikkens love, såsom Einsteins teorier om særlig og generel relativitet.