De kwantumlogische klok - misschien het best bekend omdat hij je sneller laat verouderen als je op een kruk staat - is terug geklommen naar de leidende prestatie-echelons van 's werelds experimentele atoomklokken.

Natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de afgelopen acht jaar stilletjes hun kwantumlogica-klokontwerp verbeterd. voornamelijk om fouten te verminderen door ongewenste beweging van het enkele aluminiumion (elektrisch geladen atoom) dat de klok "tikt".

Zoals beschreven in Fysieke beoordelingsbrieven , de systematische onzekerheid van de kwantumlogische klok (hoe dicht de klok de natuurlijke trillingen van het ion weergeeft, of frequentie) is 9,5×10?19, het beste van elke klok wereldwijd. Dit betekent dat de logische klok nu in 33 miljard jaar geen seconde meer wint of verliest, dat is ongeveer tweeënhalf keer de geschatte leeftijd van het heelal.

In deze maatstaf, het overtreft nu beide NIST-klokken met behulp van neutrale atomen die gevangen zitten in roosters van laserstralen, de ytterbium-roosterklok en de strontium-roosterklok.

"De prestaties van de logische klok zijn voor mij niet verrassend, " Projectleider David Leibrandt zei. "Ionenklokken zijn van nature beter geïsoleerd van de omgeving - wat de oorzaak is van onnauwkeurigheid voor atoomklokken - dan roosterklokken. Het is belangrijk om op dit punt onderscheid te maken tussen precisie en stabiliteit. Mensen verwachten dat roosterklokken het beste presteren op het gebied van stabiliteit, en dat doen ze momenteel. Onze nieuwste kwantumlogische klok is de wereldleider in precisie, maar niet in stabiliteit."

De stabiliteit van de logische klok (hoe lang het duurt om de tijd te meten) is 1,2×10 ^-15 voor een meting van 1 seconde, wat bijna het beste is dat wordt bereikt door een enkele ionenklok, maar ongeveer 10 keer slechter dan beide NIST-roosterklokken.

De kwantumlogicaklok kreeg zijn bijnaam omdat hij logische besluitvormingstechnieken ontleent aan experimentele kwantumcomputers. Aluminium is een uitzonderlijk stabiele bron van kloktikken, trillen tussen twee energieniveaus meer dan een miljoen miljard keer per seconde, maar de eigenschappen ervan zijn niet gemakkelijk te manipuleren of te detecteren met lasers. Dus, logische bewerkingen met een partner magnesiumion worden gebruikt om het aluminium te koelen en zijn tikken te signaleren.

Terug in 2010, De kwantumlogische klok van NIST had de beste prestaties van alle experimentele atoomklokken. De klok trok ook de aandacht voor 2010-demonstraties van "tijddilatatie"-aspecten van Einsteins relativiteitstheorieën:die tijd gaat sneller voorbij op grotere hoogte, maar langzamer als je sneller beweegt.

Vanaf dat moment, De roosterklokken van NIST zijn elkaar voortdurend aan het verspringen in prestaties, de indruk wekken van een race om een ​​enkele winnaar te identificeren. In feite, alle klokken zijn nuttig voor onderzoeksdoeleinden en zijn mogelijke kanshebbers voor toekomstige tijdstandaarden of andere toepassingen.

De internationale definitie van de tweede (in het Internationale Stelsel van Eenheden, of SI) is sinds 1967 gebaseerd op het cesiumatoom, dus cesium blijft de "heerser" voor officiële tijdwaarneming. De logische klok is een van de kandidaten voor een toekomstige tijdstandaard die door de internationale wetenschappelijke gemeenschap zal worden gekozen. NIST-wetenschappers werken aan verschillende soorten experimentele klokken, elk gebaseerd op verschillende atomen en met zijn eigen voordelen. Al deze experimentele klokken zijn gebaseerd op optische frequenties, die hoger zijn dan de microgolffrequenties die worden gebruikt in de huidige tijdwaarnemingsnormen op basis van cesium.

Verschillende technische ontwikkelingen maakten de verbeterde prestaties van de logische klok mogelijk, inclusief een nieuw ionenvangerontwerp dat de door warmte veroorzaakte ionenbeweging verminderde, waardoor operatie in de buurt van de gewenste grondtoestand, of laagste bewegingsenergieniveau. In aanvulling, een lagere frequentie werd gebruikt om de ionenval te bedienen, het verminderen van ongewenste ionenbeweging veroorzaakt door het elektrische veld dat wordt gebruikt om de ionen op te vangen. Eindelijk, verbeterde kwantumcontrole heeft de onzekerheid van metingen van frequentieverschuivingen als gevolg van ionenbeweging verminderd.

De precisie van de klok werd bepaald door de frequentieverschuivingen veroorzaakt door negen verschillende effecten te meten en op te tellen. De stabiliteit werd gemeten door vergelijking met de ytterbiumroosterklok van NIST.

Er zijn aanvullende verbeteringen in het ontwerp van de val en andere functies gepland om de prestaties verder te verbeteren. Nu al, De drie experimentele klokken van NIST kunnen worden vergeleken om de metingen van mogelijke veranderingen in enkele van de fundamentele "constanten" van de natuur te verbeteren, een onderzoekslijn die belangrijke implicaties heeft voor de kosmologie en het testen van de natuurwetten, zoals Einsteins theorieën over speciale en algemene relativiteitstheorie.