Atoomklokken zijn een klasse klokken die gebruik maken van de resonantiefrequenties van atomen om de tijd met hoge precisie bij te houden. Hoewel deze klokken in de loop der jaren steeds geavanceerder en nauwkeuriger zijn geworden, maken bestaande versies mogelijk niet optimaal gebruik van de middelen waarvan ze afhankelijk zijn om de tijd bij te houden.

Onderzoekers van het California Institute of Technology hebben onlangs de mogelijkheid onderzocht om kwantumcomputertechnieken te gebruiken om de prestaties van atoomklokken verder te verbeteren. Hun artikel, gepubliceerd in Nature Physics , introduceert een nieuw schema dat het gelijktijdig gebruik van meerdere atoomklokken mogelijk maakt om de tijd met nog grotere precisie bij te houden.

"Atoomklokken zijn tientallen jaren oud, maar hun prestaties verbeteren elk jaar", vertelde Adam Shaw, co-auteur van het artikel, aan Phys.org.

“Tegelijkertijd is er de afgelopen jaren binnen de atoomfysica een grote impuls geweest om zogenaamde kwantumcomputers te ontwikkelen, apparaten die de kwantumtoestanden van individuele atomen controleren om berekeningen uit te voeren die verder gaan dan de mogelijkheden van een normale computer. klokken en computers lijken heel verschillend, maar de afgelopen jaren hebben mensen zich gerealiseerd dat ze zeer synergetisch kunnen zijn."

Het belangrijkste doel van de recente studie van Shaw en zijn collega's was om enkele van de instrumenten die ten grondslag liggen aan het functioneren van kwantumcomputers te gebruiken om atoomklokken te verbeteren. Om dit te doen, realiseerden de onderzoekers experimenteel een tien jaar oud theoretisch voorstel, dat het gelijktijdige gebruik van meerdere klokken inhoudt om de tijd beter bij te houden dan een enkele klok, door ervoor te zorgen dat elk van hen het verstrijken van de tijd met verschillende snelheden registreert.

"Het idee is in principe hetzelfde als het hebben van meerdere wijzers op een horloge:een urenwijzer om langere tijdsveranderingen bij te houden en een minutenwijzer om kortere tijdsveranderingen nauwkeuriger bij te houden", legt Shaw uit. "Wat we hebben gedaan is in wezen zo'n meerwijzerklok op atomaire schaal bouwen. Om dit te doen, demonstreren we een nieuwe manier om de elektronische toestand van individuele atomen met zeer hoge betrouwbaarheid te controleren door hun posities in een laserstraal te veranderen."

De onderzoekers gebruikten hun voorgestelde techniek om individuele atomen in atoomklokken te controleren. Concreet zorgden ze ervoor dat elk atoom het verstrijken van de tijd effectief langzamer of sneller ervoer, afhankelijk van hun dynamische positie ten opzichte van de toegepaste laserstraal.

"De huidige meest nauwkeurige klokken ter wereld werken door het verstrijken van de tijd te meten met een groot geheel van atomen, maar we laten zien dat individuele controle tot betere prestaties zou kunnen leiden", aldus Shaw. "Meer in het algemeen toont ons werk de kracht van het combineren van de kenmerken van kwantumcomputers en kwantumsensoren, een unie waar veel andere groepen aan werken om deze te verwezenlijken en te verbeteren."

De eerste bevindingen van Shaw en zijn collega's zijn zeer bemoedigend en benadrukken het potentieel van kwantumcomputertechnieken in metrologisch onderzoek. In de toekomst zou dit onderzoek een inspiratie kunnen zijn voor de ontwikkeling van andere programmeerbare kwantumoptische klokken die nog betere prestaties leveren.

Een week nadat het team hun artikel had gepubliceerd, publiceerde een andere onderzoeksgroep onder leiding van Shimon Kolkowitz uit Berkeley een artikel waarin werd geprobeerd een soortgelijke klok met meerdere wijzers te realiseren in Physical Review X . Hun klok met meerdere wijzers is gemaakt met behulp van een andere techniek, maar benadrukt ook de voordelen van het vertrouwen op meer dan één atoomklok tegelijk.

"In ons recente artikel hebben we meerdere individuele atoomklokken bestuurd, maar de klokken zelf waren relatief eenvoudig:slechts enkele atomen," voegde Shaw eraan toe.

"We werken er nu aan om kwantumverstrengeling tussen individuele atomen binnen elke klok te gebruiken, zodat elke 'wijzer' op ons atoomhorloge nauwkeuriger wordt. Dit zou de klokprestaties moeten verbeteren en zou een echte hybride zijn van een kwantumcomputer en een atoomklok. "

Meer informatie: Adam L. Shaw et al, Multi-ensemble metrologie door lokale rotaties te programmeren met atoombewegingen, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02323-w.

Xin Zheng et al., De instabiliteit van een optische roosterklok verminderen met behulp van meerdere atomaire ensembles, Fysieke recensie X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011006.

Journaalinformatie: Natuurfysica , Fysieke beoordeling X

© 2024 Science X Netwerk