By Kenna Hughes-Castleberry δημοσιεύτηκε στις 18 Νοεμβρίου 2022
Ενώ οι άνθρωποι δεν είναι το μόνο είδος που μετράει τον χρόνο, κατά μία έννοια, τον κάνουμε το επίκεντρο της ζωής μας. Από τον προγραμματισμό εργασιών, συναντήσεων ή εκδηλώσεων μέχρι και τον εορτασμό γενεθλίων, ο χρόνος έχει γίνει μια σημαντική πτυχή της κοινωνίας μας. Μετράμε το χρόνο χρησιμοποιώντας ρολόγια, συγκεκριμένα εξαιρετικά ακριβή ρολόγια που ονομάζονται ατομικά ρολόγια. «Τα ατομικά ρολόγια είναι πιθανώς μια από τις παλαιότερες, πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες κβαντικές τεχνολογίες που υπάρχουν», εξήγησε Δρ Judith Olson, ο επικεφαλής του τμήματος ατομικού ρολογιού στο ColdQuanta, ένα κορυφαίο στην αγορά κβάντο εταιρεία. Η σημασία αυτών των ρολογιών για την κοινωνία μας δεν μπορεί να υποτιμηθεί, καθώς βρίσκονται πίσω από το μεγαλύτερο μέρος της υποδομής της κοινωνίας μας. «Τα ατομικά ρολόγια στηρίζουν πολλές από τις τεχνολογίες στις οποίες βασιστήκαμε στην καθημερινή μας ζωή – σύγχρονα συστήματα επικοινωνιών, διανομή ενέργειας, συστήματα μεταφορών και οικονομικός όλες οι συναλλαγές εξαρτώνται από ακριβή πρότυπα χρόνου και συχνότητας», ανέφερε Ελένη Μαργόληs, Head of Science for Time and Frequency στο Εθνικό Εργαστήριο Φυσικής του Ηνωμένου Βασιλείου (NPL).
Ο λόγος που τα ατομικά ρολόγια είναι τόσο ακριβή είναι επειδή αξιοποιούν τις κβαντομηχανικές ιδιότητες των ατόμων και των μορίων. Σύμφωνα με το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST), τα ατομικά ρολόγια επικεντρώνονται σε συχνότητες ατομικού συντονισμού για τη μέτρηση του χρόνου. Ενώ σε ένα κανονικό ρολόι (όπως ένα ρολόι χειρός) ένα κομμάτι χαλαζία δονείται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα και αυτή η συχνότητα «μετράται» ως χρόνος, μια παρόμοια διαδικασία χρησιμοποιείται με άτομα και ειδικά λέιζερ. Καθώς τα άτομα αλλάζουν τα επίπεδα ενέργειας όταν αλληλεπιδρούν με συγκεκριμένες συχνότητες λέιζερ, η ατομική απόκριση σε αυτές τις συχνότητες επιτρέπει λέιζερ να σταθεροποιηθεί. Οι σταθεροποιημένες συχνότητες λέιζερ μπορούν στη συνέχεια να «μετρηθούν και να μετρηθούν ως το «τικ» ενός ρολογιού. Καθώς αυτές οι συχνότητες συντονισμού αποτελούν εγγενές μέρος της θεμελιώδους κβαντικής δυναμικής μέσα στο ρολόι, είναι εξαιρετικά ακριβείς και σταθερές. Οι επιστήμονες του NIST μελετούν πολλαπλά ατομικά ρολόγια, συμπεριλαμβανομένου του F1 το καίσιο ρολόι, το οποίο έχει ποσοστό σφάλματος ένα δευτερόλεπτο σε ένα εκατομμύριο χρόνια.
Εφαρμογές χρονομέτρησης επόμενης γενιάς
Λόγω της υψηλής ακρίβειας και ακρίβειάς τους, τα ατομικά ρολόγια έχουν γίνει χρήσιμα για πολλές βιομηχανίες. "Ένα μέρος του λόγου για τον οποίο το quantum είναι τόσο εστιασμένο στα ρολόγια είναι ότι υπάρχει ήδη μια αγορά", δήλωσε ο Olson. «Οι άνθρωποι γνωρίζουν ότι αυτά τα ρολόγια υπάρχουν και είναι χρήσιμη τεχνολογία. Οι άνθρωποι τα αγοράζουν και τα χρησιμοποιούν. Πολλές άλλες κβαντικές τεχνολογίες βρίσκονται πιο μπροστά στον ορίζοντα χωρίς τις υπάρχουσες καθιερωμένες οικονομικές αγορές, όπως οι κβαντικοί υπολογιστές». Τα ατομικά ρολόγια έχουν ήδη αποδειχθεί ότι είναι μια ανατρεπτική τεχνολογία για τη μέτρηση του χρόνου, κάτι που πολλοί στην κβαντική βιομηχανία ελπίζουν ότι μεταφράζεται και σε κβαντικούς υπολογιστές. Όπως δήλωσε ο Olson? «Δεν μπορείτε να βγείτε έξω και να αγοράσετε έναν κβαντικό υπολογιστή από ένα κατάστημα αυτή τη στιγμή, αλλά μπορείτε να αγοράσετε κβαντικά ρολόγια, εμπορικά τώρα, εδώ και δεκαετίες». Αυτό καθιστά αυτές τις συσκευές πιο προσιτές για τους ερευνητές και τις εταιρείες για χρήση στην ανάπτυξη άλλης τεχνολογίας.
Επειδή αυτές οι συσκευές είναι άμεσα διαθέσιμες, πολλές βιομηχανίες αξιοποιούν ήδη τα οφέλη τους για σημαντικά πλεονεκτήματα. Από GPS δορυφόρους σε τοπικά δίκτυα, αυτά τα ρολόγια βελτιώνουν τα συστήματα πλοήγησης, τα οποία μπορούν να ωφελήσουν μια ολόκληρη σειρά ατόμων, συμπεριλαμβανομένου του στρατού. «Για παράδειγμα, τα satnavs βασίζονται σε ατομικά ρολόγια σε δορυφόρους για να μπορούν να υπολογίζουν και να παρακολουθούν τη θέση του δέκτη», εξήγησε ο Margolis. Τα ατομικά ρολόγια είναι επίσης ιδιαίτερα χρήσιμα για να μας πουν περισσότερα για το σχήμα της Γης και τα βαρυτικά της πεδία. Σύμφωνα με α 2020 SPIE άρθρο: «Επειδή η παρουσία της βαρύτητας επηρεάζει τον ρυθμό που περνάει ο χρόνος, τα ρολόγια πιο κοντά στη στάθμη της θάλασσας στην πραγματικότητα χτυπούν πιο αργά από ένα στο Έβερεστ, πράγμα που σημαίνει ότι οι φυσικοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα ρολόγια για να παρακολουθήσουν το σχήμα του πλανήτη μας, ένα επιστημονικό πεδίο γνωστό ως γεωδαισία.» Αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε ακόμη και ενδεχομένως να βοηθήσει τους επιστήμονες να παρακολουθούν τις αλλαγές στο επίπεδο της θάλασσας με μεγαλύτερη ακρίβεια ή να παρέχει συστήματα έγκαιρης ανίχνευσης και προειδοποίησης για φυσικές καταστροφές
Άλλες βιομηχανίες όπως η χρηματοδότηση έχουν επίσης βρει οφέλη με αυτές τις συσκευές. "Χρησιμοποιούνται σχεδόν σε κάθε οικονομική συναλλαγή", δήλωσε ο Olson. «Οι περισσότεροι άνθρωποι δεν το σκέφτονται, αλλά τα ατομικά ρολόγια παρέχουν τελικά χρονικές σημάνσεις για συναλλαγές μετοχών και συναλλαγές με ATM. Έτσι, κάθε φορά που πραγματοποιείτε συναλλαγές χρημάτων ή δεδομένων, συνήθως λαμβάνει μια χρονική ετικέτα που προέρχεται από το GPS ή άλλα ανιχνεύσιμα χρονοδιαγράμματα. Αυτό είναι σημαντικό για την ασφάλεια και τη ρύθμιση των χρηματοπιστωτικών αγορών». Ακόμη και η εξερεύνηση του διαστήματος βρίσκει χρήση για τα ατομικά ρολόγια. Σε 2019, Η NASA έστειλε ένα ατομικό ρολόι σε τροχιά. «Αυτά τα ρολόγια θα βοηθούσαν το διαστημόπλοιο να προσανατολιστεί και να πλοηγηθεί αυτόνομα», ένα πρόσφατο άρθρο της NASA εξήγησε. Ωστόσο, για να αξιοποιήσετε περισσότερο τα ατομικά ρολόγια, πρέπει να είναι μικρότερες, ανθεκτικές εκδόσεις σχεδιασμένα και αναπτύχθηκε.
Ατομικά ρολόγια και κβαντικοί υπολογιστές
Πολλοί στην κβαντική βιομηχανία ελπίζουν να συνδυάσουν έναν τύπο τεχνολογίας, το ατομικό ρολόι, με έναν άλλο, τον κβαντικό υπολογιστή. Ήδη πρόσφατη έρευνα έχει δείξει ότι ένα ατομικό ρολόι μπορεί να συνδεθεί σε έναν κβαντικό υπολογιστή για να κάνει μια εξαιρετικά ακριβή αισθητήρα, που θα μπορούσε να μετρήσει τη βαρύτητα και άλλες δυνάμεις. «Τα ατομικά ρολόγια είναι οι καλύτερες αναφορές συχνότητας που υπάρχουν», εξήγησε ο Olson. «Και η συχνότητα είναι η καλύτερη μετρήσιμη ποιότητα στην οποία έχει πρόσβαση η ανθρωπότητα. Έτσι, είναι χρήσιμο κάθε φορά που ενδιαφέρεστε για την ακριβή συχνότητα του λέιζερ σας, για το οποίο νοιάζονται πολύ οι κβαντικοί υπολογιστές που χρησιμοποιούν αλληλεπιδράσεις ατόμου-λέιζερ. Η σταθερότητα των συχνοτήτων λέιζερ μπορεί να είναι περιορισμός για ορισμένες μεθόδους στον κβαντικό υπολογισμό. Επειδή μπορεί να έχετε θόρυβο φάσης, θόρυβο συχνότητας ή άλλους τρόπους με τους οποίους μπορεί να εισχωρήσει ο θόρυβος για να καταστρέψει την πιστότητα των λειτουργιών της πύλης. Συχνά, αυτό μπορεί να βελτιωθεί έχοντας μια αξιόπιστη αναφορά συχνότητας για να κλειδώσει τα λέιζερ τους ή να βελτιώσει την απόδοση του θορύβου τους, παρόμοια με ένα ατομικό ρολόι.»
Με αυτούς τους ακριβείς αισθητήρες που αποτελούνται από ατομικά ρολόγια και κβαντικούς υπολογιστές, υπάρχουν πολλές χρήσεις για αυτούς τους κβαντικούς αισθητήρες και συσκευές απεικόνισης. «Ορισμένες βραχυπρόθεσμες φιλικές προς τους ανθρώπους εφαρμογές είναι στη γεωλογία ή την αρχαιολογία, όπως νέες τεχνικές απεικόνισης όπου θα μπορούσατε να σαρώσετε μέσα από δάση, ζούγκλες ή το έδαφος για να βρείτε αρχαία ερείπια», είπε ο Olson. «Αυτές οι τεχνικές συνεχίζονται στρατιωτικός χρήση, όπου το πεδίο της μάχης μπορεί να παρακολουθείται και να παρατηρείται όπως ποτέ άλλοτε». Ενώ χρειάζεται ακόμη να γίνει έρευνα, άλλοι έχουν προτείνει ότι αυτές οι συσκευές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την εύρεση νέων κοιτασμάτων πετρελαίου ή ορυκτών.
Αν και ο κβαντικός υπολογιστής έχει ακόμη πολύ δρόμο μπροστά του, ο Olson πιστεύει ότι τα ατομικά ρολόγια θα είναι πιο σημαντικά για το συνολικό δίκτυο από τους μεμονωμένους υπολογιστές. «Είναι το κβαντικό δίκτυο που θα χρειαστούμε ρολόγια για να μεταδώσουμε πληροφορίες, να συγχρονίσουμε δεδομένα και να εξασφαλίσουμε ασφαλείς κβαντικές επικοινωνίες», δήλωσε. «Θα είναι σημαντικό να κατανοήσουμε το περιεχόμενο του χρόνου και της συχνότητας των πληροφοριών που μεταδίδονται… Αλλά η πραγματική λειτουργία ενός κβαντικού υπολογιστή, νομίζω, θα βασίζεται πολύ περισσότερο σε αναφορές συχνότητας από ό,τι σε ένα ατομικό ρολόι».
Ο Kenna Hughes-Castleberry είναι συγγραφέας προσωπικού στο Inside Quantum Technology και Επιστήμονας Επικοινωνίας στο JILA (μια συνεργασία μεταξύ του Πανεπιστημίου του Κολοράντο Boulder και του NIST). Τα συγγραφικά της beats περιλαμβάνουν τη βαθιά τεχνολογία, το μετασύμπαν και την κβαντική τεχνολογία.
