Næste generation af atomure er et skridt tættere på virkelige applikationer

Quantum ure krymper takket være nye teknologier udviklet på University of Birmingham-ledede UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing

I samarbejde med og delvist finansieret af Det Forenede Kongeriges Defense Science and Technology Laboratory (Dstl) har et hold kvantefysikere udtænkt nye tilgange, der ikke kun reducerer størrelsen af ​​deres ur, men også gør det robust nok til at blive transporteret ud af laboratorie og ansat i den 'virkelige verden'.

Kvante- eller atomure ses i vid udstrækning som essentielle for stadig mere præcise tilgange til områder som onlinekommunikation over hele verden, navigationssystemer eller global handel med aktier, hvor brøkdele af sekunder kan gøre en enorm økonomisk forskel. Atomure med optiske urfrekvenser kan være 10.000 gange mere nøjagtige end deres mikrobølgemodstykker, hvilket åbner muligheden for at omdefinere standardmåleenheden (SI).

Endnu mere avancerede optiske ure kan en dag gøre en væsentlig forskel både i hverdagen og i den grundlæggende videnskab. Ved at tillade længere perioder mellem behov for resynkronisering end andre typer ure, tilbyder de øget modstandsdygtighed for national timing-infrastruktur og låser op for fremtidige positionerings- og navigationsapplikationer til autonome køretøjer. Den uovertrufne nøjagtighed af disse ure kan også hjælpe os med at se ud over standardmodeller af fysik og forstå nogle af de mest mystiske aspekter af universet, inklusive mørkt stof og mørk energi. Sådanne ure vil også hjælpe med at løse fundamentale fysikspørgsmål, såsom om de fundamentale konstanter virkelig er 'konstanter' eller om de varierer med tiden

Ledende forsker, Dr. Yogeshwar Kale, siger, at "stabiliteten og præcisionen af ​​optiske ure gør dem afgørende for mange fremtidige informationsnetværk og kommunikation. Når vi først har et system, der er klar til brug uden for laboratoriet, kan vi bruge dem f.eks. , navigationsnetværk på jorden, hvor alle sådanne ure er forbundet via optisk fiber og begyndte at tale med hinanden. Sådanne netværk vil reducere vores afhængighed af GPS-systemer, som nogle gange kan svigte."

"Disse transportable optiske ure vil ikke kun hjælpe med at forbedre geodætiske målinger - de grundlæggende egenskaber ved Jordens form og tyngdekraftsvariationer - men vil også tjene som forløbere til at overvåge og identificere geodynamiske signaler som jordskælv og vulkaner på tidlige stadier."

Selvom sådanne kvanteure udvikler sig hurtigt, er de vigtigste barrierer for at implementere dem deres størrelse - de nuværende modeller kommer i en varevogn eller i en bilanhænger og er omkring 1500 liter - og deres følsomhed over for miljøforhold, der begrænser deres transport mellem forskellige steder.

Birmingham-teamet, baseret inden for UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing, er kommet med en løsning, der løser begge disse udfordringer i en pakke, der er en 'kasse' på omkring 120 liter, der vejer mindre end 75 kg. Værket er udgivet i Quantum Science and Technology.

En talsmand for Dstl tilføjede, at "Dstl ser optisk urteknologi som en vigtig muliggører for fremtidige kapaciteter for Forsvarsministeriet. Disse slags ure har potentialet til at forme fremtiden ved at give national infrastruktur øget modstandskraft og ændre måden, kommunikation og sensornetværk på. er designet. Med Dstl's støtte har University of Birmingham gjort betydelige fremskridt med at miniaturisere mange af delsystemerne i et optisk gitterur, og derved overvundet mange betydelige tekniske udfordringer. Vi ser frem til at se, hvilke yderligere fremskridt de kan gøre i dette spændende og hurtigt bevægende felt."

Urene fungerer ved at bruge lasere til både at producere og derefter måle kvanteoscillationer i atomer. Disse svingninger kan måles meget nøjagtigt, og ud fra frekvensen er det muligt også at måle tiden. En udfordring er at minimere de ydre påvirkninger på målingerne, såsom mekaniske vibrationer og elektromagnetisk interferens. For at gøre det skal målingerne foregå i et vakuum og med minimal ekstern interferens.

Kernen i det nye design er et ultrahøjt vakuumkammer, der er mindre end noget, der endnu er brugt inden for kvantetidsregistrering. Dette kammer kan bruges til at fange atomerne og derefter køle dem ned meget tæt på værdien 'absolut nul', så de når en tilstand, hvor de kan bruges til præcisionskvantesensorer.

Holdet demonstrerede, at de kunne fange næsten 160 tusinde ultrakolde atomer i kammeret på mindre end et sekund. Desuden viste de, at de kunne transportere systemet over 200 km, før de satte det op til at være klar til at tage målinger på mindre end 90 minutter. Systemet var i stand til at overleve en temperaturstigning på 8 grader over stuetemperatur under rejsen.

Dr. Kale tilføjede, at de har "været i stand til at vise et robust og elastisk system, som kan transporteres og opsættes hurtigt af en enkelt uddannet tekniker. Dette bringer os et skridt tættere på at se disse meget præcise kvanteinstrumenter blive brugt i udfordrende omgivelser uden for et laboratoriemiljø." + Udforsk yderligere

Fysikere udnytter kvante-'tidsvending' til at måle vibrerende atomer