By Kenna Hughes-Castleberry gepostet am 18. November 2022
Obwohl Menschen nicht die einzige Spezies sind, die Zeit misst, machen wir sie in gewissem Sinne zum Mittelpunkt unseres Lebens. Von der Planung von Arbeit, Besprechungen oder Veranstaltungen bis hin zum Feiern von Geburtstagen ist die Zeit zu einem einflussreichen Aspekt unserer Gesellschaft geworden. Wir messen die Zeit mit Uhren, insbesondere extrem genauen Uhren, die Atomuhren genannt werden. „Atomuhren sind wahrscheinlich eine der ältesten und am weitesten verbreiteten Quantentechnologien, die es gibt“, erklärte er Judith Olson, der Leiter der Abteilung für Atomuhren bei KaltQuanta, ein marktführendes Quantum Unternehmen. Die Bedeutung dieser Uhren für unsere Gesellschaft kann nicht unterschätzt werden, da sie hinter den meisten Infrastrukturen unserer Gesellschaft stehen. „Atomuhren untermauern viele der Technologien, auf die wir uns in unserem täglichen Leben verlassen – moderne Kommunikationssysteme, Energieverteilung, Transportsysteme und mehr Revolution Der Handel hängt alle von genauen Zeit- und Frequenzstandards ab “, wiederholte Helen Margolis, Wissenschaftlicher Leiter für Zeit und Frequenz am britischen National Physics Laboratory (NPL).
Der Grund, warum Atomuhren so präzise sind, liegt darin, dass sie quantenmechanische Eigenschaften von Atomen und Molekülen nutzen. Nach Angaben des National Institute of Standards and Technology (NIST) konzentrieren sich Atomuhren auf atomare Resonanzfrequenzen, um die Zeit zu messen. Während in einer normalen Uhr (wie einer Armbanduhr) ein Quarzstück mit einer bestimmten Frequenz vibriert und diese Frequenz als Zeit „gezählt“ wird, wird ein ähnlicher Prozess mit Atomen und speziellen Lasern verwendet. Da Atome Energieniveaus ändern, wenn sie mit bestimmten Laserfrequenzen interagieren, lässt die atomare Reaktion auf diese Frequenzen die -Laser stabilisiert werden. Die stabilisierten Laserfrequenzen können dann „gemessen und als „Tick“ einer Uhr gezählt werden. Da diese Resonanzfrequenzen ein fester Bestandteil der grundlegenden Quantendynamik innerhalb der Uhr sind, sind sie äußerst genau und stabil. Die Wissenschaftler von NIST untersuchen mehrere Atomuhren, einschließlich der F1 Caesium Uhr, die eine Fehlerrate von einer Sekunde in einer Million Jahren hat.
Anwendungen der Zeitmessung der nächsten Generation
Aufgrund ihrer hohen Genauigkeit und Präzision sind Atomuhren für mehrere Industrien nützlich geworden. „Ein Grund, warum sich Quantum so auf Uhren konzentriert, ist, dass es bereits einen Markt gibt“, sagte Olson. „Die Menschen sind sich bewusst, dass diese Uhren existieren und eine nützliche Technologie sind. Die Leute kaufen sie und benutzen sie. Viele andere Quantentechnologien sind ohne bestehende etablierte Wirtschaftsmärkte weiter am Horizont, wie Quantencomputer.“ Atomuhren haben sich bereits als disruptive Technologie für die Zeitmessung erwiesen, von der viele in der Quantenindustrie hoffen, dass sie sich auch auf Quantencomputer übertragen lässt. Wie Olson sagte; „Sie können jetzt nicht in ein Geschäft gehen und einen Quantencomputer kaufen, aber seit Jahrzehnten können Sie Quantenuhren kommerziell kaufen.“ Dies macht diese Geräte für Forscher und Unternehmen zugänglicher, um sie bei der Entwicklung anderer Technologien zu nutzen.
Da diese Geräte leicht verfügbar sind, nutzen viele Branchen ihre Vorteile bereits für erhebliche Vorteile. Aus GPS- Ortung Satelliten zu lokalen Netzwerken, diese Uhren verbessern Navigationssysteme, von denen eine ganze Reihe von Menschen, einschließlich des Militärs, profitieren können. „Beispielsweise verlassen sich Navigationsgeräte auf Atomuhren an Bord von Satelliten, um die Position des Empfängers berechnen und verfolgen zu können“, erklärt Margolis. Atomuhren sind auch besonders nützlich, um uns mehr über die Form der Erde und ihre Gravitationsfelder zu sagen. Laut a 2020 SPIE Artikel: „Weil die Schwerkraft die Geschwindigkeit der Zeit beeinflusst, ticken Uhren näher am Meeresspiegel tatsächlich langsamer als eine auf dem Mount Everest, was bedeutet, dass Physiker diese Uhren verwenden können, um die Form unseres Planeten zu überwachen, ein wissenschaftliches Gebiet, das als bekannt ist Geodäsie.“ Diese Technologie könnte Wissenschaftlern möglicherweise sogar dabei helfen, die Änderungen des Meeresspiegels genauer zu verfolgen oder Früherkennungs- und Warnsysteme für Naturkatastrophen bereitzustellen
Andere Branchen wie das Finanzwesen haben ebenfalls Vorteile mit diesen Geräten gefunden. „Sie werden bei fast jeder Finanztransaktion verwendet“, erklärte Olson. „Die meisten Menschen denken nicht darüber nach, aber Atomuhren liefern letztendlich Zeitstempel für Aktiengeschäfte und Transaktionen an Geldautomaten. Jedes Mal, wenn Sie Geld oder Daten übertragen, erhält es normalerweise ein Zeitetikett, das von GPS oder anderen nachvollziehbaren Zeitskalen abgeleitet wird. Dies ist wichtig für die Sicherheit und Regulierung der Finanzmärkte.“ Sogar die Weltraumforschung findet Verwendung für Atomuhren. Im 2019, Die NASA schickte eine Atomuhr in den Orbit. „Diese Uhren würden den Raumfahrzeugen helfen, sich zu orientieren und autonom zu navigieren“, so eine aktuelle NASA-Artikel erklärt. Um Atomuhren jedoch besser nutzen zu können, müssen kleinere robuste Versionen verwendet werden entworfen und entwickelt.
Atomuhren und Quantencomputer
Viele in der Quantenindustrie hoffen, eine Art von Technologie, die Atomuhr, mit einer anderen, dem Quantencomputer, zu kombinieren. Bereits neuere Forschungen haben gezeigt, dass eine Atomuhr ultrapräzise an einen Quantencomputer angeschlossen werden kann Sensor, die Schwerkraft und andere Kräfte messen könnte. „Atomuhren sind die besten existierenden Frequenzreferenzen“, erklärte Olson. „Und Frequenz ist die beste messbare Qualität, zu der die Menschheit Zugang hat. Es ist also immer dann nützlich, wenn Sie sich Gedanken darüber machen, welche genaue Frequenz Ihr Laser hat, was bei Quantencomputern, die Atom-Laser-Wechselwirkungen verwenden, sehr wichtig ist. Die Stabilität der Laserfrequenzen kann für einige Modalitäten im Quantencomputing eine Einschränkung darstellen. Weil Sie möglicherweise Phasenrauschen, Frequenzrauschen oder andere Möglichkeiten haben, wie sich Rauschen einschleichen kann, um die Wiedergabetreue der Gate-Funktionen zu zerstören. Oft kann dies durch eine zuverlässige Frequenzreferenz verbessert werden, um ihre Laser zu sperren oder ihr Rauschverhalten zu verbessern, ähnlich wie bei einer Atomuhr.“
Mit diesen genauen Sensoren, die aus Atomuhren und Quantencomputern bestehen, gibt es viele Verwendungsmöglichkeiten für diese Quantensensoren und Bildgebungsgeräte. „Einige kurzfristige menschenfreundliche Anwendungen finden sich in der Geologie oder Archäologie, wie neue Bildgebungstechniken, mit denen man Wälder, Dschungel oder den Boden scannen kann, um alte Ruinen zu finden“, sagte Olson. „Diese Techniken übertragen für Militär verwenden, wo das Schlachtfeld wie nie zuvor überwacht und beobachtet werden kann.“ Während die Forschung noch durchgeführt werden muss, haben andere vorgeschlagen, dass diese Geräte verwendet werden könnten, um möglicherweise neue Öl- oder Mineralvorkommen zu finden.
Obwohl Quantencomputer noch einen langen Weg vor sich haben, glaubt Olson, dass Atomuhren für das Gesamtnetzwerk wichtiger sein werden als einzelne Computer. „Es ist das Quantennetzwerk, für das wir Uhren brauchen werden, um Informationen zu übertragen, Daten zu synchronisieren und eine sichere Quantenkommunikation zu gewährleisten“, erklärte sie. „Es wird wichtig sein, dass wir den Zeit- und Frequenzinhalt der übertragenen Informationen verstehen … Aber der eigentliche Betrieb eines Quantencomputers wird meiner Meinung nach viel mehr von Frequenzreferenzen abhängen als eine Atomuhr.“
Kenna Hughes-Castleberry ist Mitarbeiterin bei Inside Quantum Technology und Science Communicator bei JILA (eine Partnerschaft zwischen der University of Colorado Boulder und NIST). Ihre Beats beim Schreiben umfassen Deep Tech, Metaverse und Quantentechnologie.
