By Kenna Hughes-Castleberry postitatud 18. novembril 2022
Kuigi inimesed ei ole ainsad liik, kes aega mõõdavad, paneme selle teatud mõttes oma elu keskmesse. Alates töö planeerimisest, koosolekutest või sündmustest kuni isegi sünnipäevade tähistamiseni on ajast saanud meie ühiskonna mõjukas aspekt. Me mõõdame aega kellade abil, täpsemalt ülitäpsete kellade, mida nimetatakse aatomkelladeks. "Aatomkellad on tõenäoliselt üks vanimaid ja enim kasutatud kvanttehnoloogiaid," selgitas Dr Judith Olson, aatomikellade divisjoni juhataja kl ColdQuanta, turuliider kvant ettevõte. Nende kellade tähtsust meie ühiskonnale ei saa alahinnata, kuna need on enamiku meie ühiskonna infrastruktuuride taga. „Aatomkellad on aluseks paljudele tehnoloogiatele, millest oleme oma igapäevaelus sõltunud – kaasaegsed sidesüsteemid, energiajaotus, transpordisüsteemid ja finants- kauplemine sõltub täpsetest aja- ja sagedusstandarditest, ”kajas Helen Margolis, Ühendkuningriigi riikliku füüsikalabori aja ja sageduse teaduse juht (NPL).
Põhjus, miks aatomkellad on nii täpsed, on see, et nad võimendavad aatomite ja molekulide kvantmehaanilisi omadusi. Vastavalt riiklikule standardite ja tehnoloogia instituudi andmetele (NIST), aatomkellad keskenduvad aja mõõtmiseks aatomresonantsi sagedustele. Kui tavalises kellas (nagu käekellas) kvartsitükk vibreerib teatud sagedusel ja seda sagedust “loetakse” ajaks, siis aatomite ja spetsiaalsete laseritega kasutatakse sarnast protsessi. Kuna aatomid muudavad teatud laserisagedustega suhtlemisel energiataset, võimaldab aatomi reaktsioon nendele sagedustele laserid olla stabiliseerunud. Stabiliseeritud laseri sagedusi saab seejärel "mõõta ja lugeda kella "tiksuks". Kuna need resonantssagedused on kella põhilise kvantdünaamika lahutamatu osa, on need äärmiselt täpsed ja stabiilsed. NIST-i teadlased uurivad mitut aatomkella, sealhulgas F1 tseesium kella, mille veamäär on üks sekund miljoni aasta kohta.
Järgmise põlvkonna ajaarvestuse rakendused
Tänu oma suurele täpsusele ja täpsusele on aatomkellad muutunud kasulikuks mitmes tööstusharus. "Osa põhjusest, miks quantum on kelladele nii keskendunud, on see, et turg on juba olemas," ütles Olson. "Inimesed on teadlikud, et need kellad on olemas ja on kasulik tehnoloogia. Inimesed ostavad neid ja kasutavad neid. Paljud muud kvanttehnoloogiad on silmapiiril ilma olemasolevate väljakujunenud majandusturgudeta, näiteks kvantarvutid. Aatomkellad on juba osutunud häirivaks ajamõõtmise tehnoloogiaks, mida paljud kvanttööstuses loodavad tõlgida ka kvantarvutiteks. Nagu Olson ütles; "Te ei saa praegu poest kvantarvutit ostma minna, kuid olete saanud juba aastakümneid osta kvantkellasid kaubanduslikult." See muudab need seadmed teadlastele ja ettevõtetele muude tehnoloogiate arendamiseks kättesaadavamaks.
Kuna need seadmed on kergesti kättesaadavad, kasutavad paljud tööstused juba oma eeliseid märkimisväärsete eeliste saamiseks. Alates GPS satelliitide ja kohalike võrkude vahel täiustavad need kellad navigatsioonisüsteeme, millest võivad kasu olla mitmed inimesed, sealhulgas sõjaväelased. "Näiteks tuginevad satnavid satelliitide pardal olevatele aatomkelladele, et saaksid arvutada ja jälgida vastuvõtja asukohta," selgitas Margolis. Aatomkellad on ka eriti kasulikud, kui nad räägivad meile rohkem Maa kujust ja selle gravitatsiooniväljadest. Vastavalt a 2020 SPIE artikkel: "Kuna gravitatsiooni olemasolu mõjutab aja möödumist, tiksuvad merepinnale lähemal olevad kellad tegelikult aeglasemalt kui Mount Everesti kellad, mis tähendab, et füüsikud saavad neid kellasid kasutada meie planeedi kuju jälgimiseks. Teadusvaldkond on tuntud kui. geodeesia.” See tehnoloogia võib isegi aidata teadlastel merepinna muutusi täpsemalt jälgida või pakkuda loodusõnnetuste varajase avastamise ja hoiatussüsteeme.
Nendest seadmetest on kasu leidnud ka teised tööstusharud, näiteks rahandus. "Neid kasutatakse peaaegu kõigis finantstehingutes, " ütles Olson. "Enamik inimesi ei mõtle sellele, kuid lõpuks annavad aatomkellad aktsiatehingute ja sularahaautomaatide tehingute ajatemplid. Nii et iga kord, kui teete raha või andmeid, saab see tavaliselt GPS-ist või muudest jälgitavatest ajakavadest tuletatud ajasildi. See on oluline finantsturgude turvalisuse ja reguleerimise jaoks. Isegi kosmoseuuringud leiavad kasutust aatomkelladele. sisse 2019 NASA saatis orbiidile aatomkella. "Need kellad aitaksid kosmoselaeval orienteeruda ja iseseisvalt navigeerida," avaldas hiljutine teade NASA artikkel selgitas. Kuid selleks, et aatomkelladest rohkem kasu saada, peavad olema väiksemad vastupidavad versioonid kavandatud ja arenenud.
Aatomkellad ja kvantarvutid
Paljud kvanttööstuses loodavad ühendada ühte tüüpi tehnoloogiat, aatomkella, teise, kvantarvutiga. Juba hiljutised uuringud on näidanud, et aatomkella saab ühendada kvantarvuti külge, et teha ülitäpset. andur, millega saab mõõta gravitatsiooni ja muid jõude. "Aatomkellad on parimad sageduse referentsid, " selgitas Olson. "Ja sagedus on parim mõõdetav kvaliteet, millele inimkonnal on juurdepääs. Seega on see kasulik igal ajal, kui hoolite laseri täpsest sagedusest, millest aatom-laser interaktsiooni kasutavad kvantarvutid palju hoolivad. Laseri sageduste stabiilsus võib piirata mõningaid kvantandmetöötluse modaalsusi. Kuna teil võib esineda faasimüra, sagedusmüra või muid viise, kuidas müra võib sisse hiilida, et hävitada värava funktsioonide täpsus. Sageli saab seda parandada, kasutades usaldusväärset sagedusreferentsi laserite lukustamiseks või nende müra parandamiseks, sarnaselt aatomkellaga.
Nende aatomkelladest ja kvantarvutitest koosnevate täpsete anduritega on neid kvantandureid ja pildistusseadmeid palju kasutusvõimalusi. "Mõned lähiajalised inimsõbralikud rakendused on geoloogias või arheoloogias, näiteks uued pilditehnikad, mille abil saate iidsete varemete leidmiseks skaneerida läbi metsade, džunglite või maapinna, " ütles Olson. "Need tehnikad kannavad edasi sõjaline kasutamine, kus lahinguvälja saab jälgida ja jälgida nagu kunagi varem. Kuigi uuringuid tuleb veel teha, on teised väitnud, et neid seadmeid võiks kasutada uute nafta- või maavaramaardlate leidmiseks.
Kuigi kvantarvutustega on veel pikk tee käia, usub Olson, et aatomkellad on kogu võrgu jaoks olulisemad kui üksikud arvutid. "See on kvantvõrk, kus me vajame kellasid teabe edastamiseks, andmete sünkroonimiseks ja turvalise kvantside tagamiseks," ütles ta. "On oluline, et me mõistaksime edastatava teabe aja ja sageduse sisu... Kuid kvantarvuti tegelik töö sõltub minu arvates palju rohkem sageduse viidetest kui aatomkell."
Kenna Hughes-Castleberry on Inside Quantum Technology ja JILA teaduskommunikaatori (Colorado Boulderi ülikooli ja NIST-i vaheline partnerlus) kirjanik. Tema kirjutamissageduste hulka kuuluvad süvatehnoloogia, metaversum ja kvanttehnoloogia.
