Een nauwkeurige analoge klok tik-tik-tikt met een constante precisie en bekende frequentie:één tik per seconde. Hoe langer je het laat tikken, des te beter de nauwkeurigheid ervan te testen —10 keer zo lang komt overeen met een tienvoudige verbetering in elke frequentieonzekerheid. Maar is er een snellere manier om een ​​frequentie te bepalen?

Het blijkt dat er, in een nieuwe ontdekking die deze week is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven door een samenwerking tussen een professor aan de Washington University in St. Louis en een afgestudeerde student samen met een onderzoeker van de University of Rochester.

De versnelling in frequentiemeting komt uit de kwantummechanica. Wanneer een kwantumbit wordt gebruikt om de frequentie van een signaal te meten, de vreemde regels van de kwantummechanica zorgen ervoor dat de frequentiemeting veel nauwkeuriger is. De techniek hangt af van het vermogen om de kwantumbit in een superpositie van zijn twee kwantumtoestanden te plaatsen, en verschuif deze toestanden dan in de tijd met het signaal.

Kater Murch, universitair docent natuurkunde in Arts &Sciences, samen met afgestudeerde student Mahdi Naghiloo en theoriemedewerker Andrew Jordan van Rochester beschreef de techniek als een 'kwantumgoocheltruc'.

"Het doet denken aan de goocheltrucs waarbij een bal onder een van de twee kopjes wordt geplaatst en de kopjes worden heen en weer geschud - behalve deze keer, de bal kan tegelijkertijd onder beide cups liggen, Murch zei. De resulterende versnelling in frequentiemeting is verbazingwekkend. Nutsvoorzieningen, door 10 keer zo lang te meten, de frequentie-onzekerheid kan met een factor 100 worden verminderd, waardoor een betere resolutie van de frequentie mogelijk is dan enige andere techniek in zijn soort. Eerder theoretisch werk dat dit jaar door de Jordan-groep is gepubliceerd, heeft in twee afzonderlijke artikelen bewezen dat de in dit artikel toegepaste techniek het theoretische optimum is dat de kwantummechanica mogelijk maakt."

Het experiment werd voltooid met behulp van een supergeleidend kwantumsysteem waarbij een extern oscillerend signaal met onbekende frequentie ervoor zorgde dat het kwantumsysteem periodieke veranderingen onderging. Door kwantumpulsen toe te passen bovenop het oscillerende signaal, de toestand van het systeem kon worden gecontroleerd, zodat de uiteindelijke uitlezing van het kwantumsysteem zeer gevoelig werd voor de precieze waarde van de oscillatiefrequentie. De onderliggende fysieke bron van het voordeel houdt verband met het feit dat de energie van het kwantumsysteem tijdsafhankelijk is, die ervoor zorgt dat de kwantumtoestanden die overeenkomen met verschillende frequenties van elkaar weg accelereren, het geven van verbeterde onderscheidbaarheid in een bepaalde tijd.

Deze methode maakte een verbeterde resolutie van de frequentie mogelijk dan enige andere techniek in zijn soort, zei Jordanië.

Dit werk is slechts één voorbeeld van hoe het nieuwe veld van kwantumtechnologieën de wetten van de kwantumfysica gebruikt voor technologisch voordeel ten opzichte van de klassieke fysica, zei Jordanië. Andere voorbeelden zijn kwantumcomputers, kwantumdetectie en kwantumsimulatie. Voor die velden is de exploitatie van de kwantumfysica biedt voordelen zoals een snellere zoekactie in databases, het ontbinden van grote getallen of het snel simuleren van complexe moleculen.

Een dergelijke fijnschalige meting van de frequentie van een periodiek signaal is het fundamentele ingrediënt in diverse toepassingen, waaronder MRI-apparatuur voor medische beeldvorming, de analyse van licht uitgezonden door sterren en, natuurlijk, klok precisie. Het versnellen van deze metingen op een manier die Murch en Jordan hebben aangetoond, kan op veel gebieden ingrijpende gevolgen hebben.

Murch en Naghiloo gebruikten tijdwaarneming en GPS, en dergelijke voortdurend voortschrijdende technologieën, als voorbeelden van het belang van hun bevindingen.

"Vandaag de dag, de meesten van ons hebben een telefoon in onze zak die ons bijna precies kan vertellen waar we ons op aarde bevinden met behulp van het Global Positioning System, "Zei Murch. "De manier waarop dit werkt, is dat je telefoon signalen ontvangt van verschillende satellieten, en door de relatieve aankomst van deze signalen te timen, leidt het uw positie af. De nauwkeurigheid van de timing houdt rechtstreeks verband met de nauwkeurigheid van uw positie - een relatie tussen tijdwaarneming en navigatie die al honderden jaren bestaat.

"Nog voor GPS, een zeeman die zijn locatie wilde weten, zou bij de sterren navigeren. Op het noordelijk halfrond, de hoogte van de poolster zal je je breedtegraad vertellen, maar om je lengtegraad te kennen, je moet de tijd in de gaten houden. Naarmate de nacht vordert, de sterren cirkelen rond de poolster - de hoogte van elke ster boven de horizon is gerelateerd aan de lokale tijd, en door deze tijd te vergelijken met een klok die is ingesteld op Greenwich Mean Time, het tijdsverschil geeft je lengtegraad aan."

Nautische tijdwaarneming onderstreept de vitaliteit van frequentievooruitgang.

"In de 18e eeuw nauwkeurige klokken waren de belangrijkste beperking voor oceaannavigatie, Murch zei. "De Scilly-zeeramp van 1707 - een van de ergste rampen in de Britse marinegeschiedenis - werd algemeen toegeschreven aan slechte navigatie, wat de Britse regering ertoe bracht zwaar te investeren in nauwkeurige klokken. De resulterende chronometers transformeerden de zeevaart en versnelden het tijdperk van ontdekking enorm.

"Vooruitgang in tijdwaarneming blijft een grote impact hebben op technologie en fundamentele wetenschap. Quantumtools, zoals de kwantumversnelling in frequentiemeting die we ontdekten, nodig zijn om deze technologieën vooruit te helpen. Dit is een spannende tijd voor de kwantumfysica, omdat deze kwantumbronnen in toenemende mate leiden tot praktische voordelen ten opzichte van traditionele meetmethoden."