Quantumklokken krimpen dankzij nieuwe technologieën die zijn ontwikkeld door de door de University of Birmingham geleide UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing

In samenwerking met en gedeeltelijk gefinancierd door het Britse Defense Science and Technology Laboratory (Dstl), heeft een team van kwantumfysici nieuwe benaderingen bedacht die niet alleen de grootte van hun klok verkleinen, maar deze ook robuust genoeg maken om uit de laboratorium en werkzaam in de 'echte wereld'.

Quantum- of atoomklokken worden algemeen gezien als essentieel voor steeds preciezere benaderingen van gebieden zoals online communicatie over de hele wereld, navigatiesystemen of wereldwijde handel in aandelen, waar fracties van seconden een enorm economisch verschil kunnen maken. Atoomklokken met optische klokfrequenties kunnen 10.000 keer nauwkeuriger zijn dan hun microgolf-tegenhangers, wat de mogelijkheid opent om de standaard (SI) meeteenheid opnieuw te definiëren.

Zelfs geavanceerdere optische klokken zouden ooit een aanzienlijk verschil kunnen maken, zowel in het dagelijks leven als in de fundamentele wetenschap. Door langere perioden toe te staan ​​tussen het opnieuw synchroniseren dan andere soorten klokken, bieden ze meer veerkracht voor de nationale timinginfrastructuur en ontgrendelen ze toekomstige positionerings- en navigatietoepassingen voor autonome voertuigen. De ongeëvenaarde nauwkeurigheid van deze klokken kan ons ook helpen om verder te kijken dan standaardmodellen van de fysica en enkele van de meest mysterieuze aspecten van het universum te begrijpen, waaronder donkere materie en donkere energie. Dergelijke klokken zullen ook helpen om fundamentele natuurkundige vragen aan te pakken, zoals of de fundamentele constanten echt 'constanten' zijn of dat ze met de tijd variëren

Hoofdonderzoeker, dr. Yogeshwar Kale, zegt dat "de stabiliteit en precisie van optische klokken ze cruciaal maken voor veel toekomstige informatienetwerken en communicatie. Zodra we een systeem hebben dat klaar is voor gebruik buiten het laboratorium, kunnen we ze bijvoorbeeld gebruiken , navigatienetwerken op de grond waar al dergelijke klokken via glasvezel met elkaar zijn verbonden en met elkaar gaan praten. Dergelijke netwerken zullen onze afhankelijkheid van GPS-systemen verminderen, die soms kunnen falen."

"Deze draagbare optische klokken zullen niet alleen helpen om geodetische metingen te verbeteren - de fundamentele eigenschappen van de vorm en zwaartekrachtvariaties van de aarde - maar zullen ook dienen als voorlopers om geodynamische signalen zoals aardbevingen en vulkanen in een vroeg stadium te volgen en te identificeren."

Hoewel dergelijke kwantumklokken snel vorderen, zijn de belangrijkste belemmeringen om ze in te zetten hun grootte - de huidige modellen worden geleverd in een busje of in een autotrailer en zijn ongeveer 1500 liter - en hun gevoeligheid voor omgevingscondities die hun transport tussen verschillende plaatsen beperken.

Het Birmingham-team, gevestigd in de UK Quantum Technology Hub Sensors and Timing, heeft een oplossing bedacht die beide uitdagingen aangaat in een pakket dat een 'doos' van ongeveer 120 liter is die minder dan 75 kg weegt. Het werk is gepubliceerd in Quantum Science and Technology.

Een woordvoerder van Dstl voegde eraan toe dat "Dstl optische kloktechnologie ziet als een belangrijke factor voor toekomstige mogelijkheden voor het ministerie van Defensie. Dit soort klokken hebben het potentieel om de toekomst vorm te geven door de nationale infrastructuur meer veerkracht te geven en de manier te veranderen waarop communicatie- en sensornetwerken zijn ontworpen. Met de steun van Dstl heeft de Universiteit van Birmingham aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het miniaturiseren van veel van de subsystemen van een optische roosterklok, en heeft daarbij veel belangrijke technische uitdagingen overwonnen. We kijken ernaar uit om te zien welke verdere vooruitgang ze hierin kunnen boeken spannend en snel evoluerend veld."

De klokken werken door lasers te gebruiken om zowel kwantumoscillaties in atomen te produceren als te meten. Deze trillingen zijn zeer nauwkeurig te meten en uit de frequentie kan ook de tijd worden gemeten. Een uitdaging is het minimaliseren van invloeden van buitenaf op de metingen, zoals mechanische trillingen en elektromagnetische interferentie. Om dat te doen, moeten de metingen plaatsvinden in een vacuüm en met minimale externe interferentie.

De kern van het nieuwe ontwerp is een ultrahoogvacuümkamer, kleiner dan ooit gebruikt op het gebied van kwantumtijdregistratie. Deze kamer kan worden gebruikt om de atomen op te sluiten en ze vervolgens af te koelen tot zeer dicht bij de 'absolute nul'-waarde, zodat ze een toestand bereiken waarin ze kunnen worden gebruikt voor nauwkeurige kwantumsensoren.

Het team toonde aan dat ze in minder dan een seconde bijna 160 duizend ultrakoude atomen in de kamer konden vangen. Bovendien toonden ze aan dat ze het systeem meer dan 200 km konden vervoeren, voordat ze het in minder dan 90 minuten konden instellen om metingen uit te voeren. Het systeem kon tijdens de reis een temperatuurstijging van 8 graden boven kamertemperatuur overleven.

Dr. Kale, voegde toe dat ze "een robuust en veerkrachtig systeem hebben kunnen laten zien, dat snel kan worden getransporteerd en opgezet door een enkele getrainde technicus. Dit brengt ons een stap dichter bij het zien van deze zeer nauwkeurige kwantuminstrumenten die worden gebruikt in uitdagende omgevingen buiten een laboratoriumomgeving." + Verder verkennen

Natuurkundigen gebruiken kwantum 'tijdomkering' om trillende atomen te meten