By Kenna Hughes-Castleberry közzétéve: 18. november 2022
Bár nem az ember az egyetlen faj, amely méri az időt, bizonyos értelemben mégis életünk középpontjába tesszük. A munka, találkozók vagy események ütemezésétől kezdve egészen a születésnapok megünnepléséig az idő társadalmunk befolyásos aspektusává vált. Az időt órákkal mérjük, különösen az atomóráknak nevezett rendkívül pontos órákat. "Az atomórák valószínűleg az egyik legrégebbi, legszélesebb körben használt kvantumtechnológia" - magyarázta. Dr. Judith Olson, az Atomóra részleg vezetője at ColdQuanta, piacvezető kvantum cég. Ezeknek az óráknak a jelentőségét társadalmunk számára nem lehet alábecsülni, mivel társadalmunk infrastruktúrája mögött ezek állnak. „Az atomórák számos olyan technológiát támasztanak alá, amelyektől mindennapi életünkben függővé váltunk – modern kommunikációs rendszerek, energiaelosztás, közlekedési rendszerek és pénzügyi a kereskedés a pontos idő- és frekvenciaszabványokon múlik” – visszhangzott Helen Margolis, az Egyesült Királyság Nemzeti Fizikai Laboratóriumának idővel és frekvenciával foglalkozó tudományos osztályának vezetője (NPL).
Az atomórák azért ilyen pontosak, mert kihasználják az atomok és molekulák kvantummechanikai tulajdonságait. A Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet szerint (NIST), az atomórák az atomrezonancia-frekvenciákra összpontosítanak az idő mérésére. Míg egy normál órában (például egy karórában) egy kvarcdarab egy bizonyos frekvencián rezeg, és ez a frekvencia időnek számít, addig atomok és speciális lézerek esetében hasonló eljárást alkalmaznak. Mivel az atomok megváltoztatják az energiaszinteket, amikor kölcsönhatásba lépnek bizonyos lézerfrekvenciákkal, az atomi válasz ezekre a frekvenciákra lehetővé teszi a lézerek stabilizálódnak. A stabilizált lézerfrekvenciák ezután „mérhetők és az óra „ketyegéseként” számíthatók. Mivel ezek a rezonanciafrekvenciák az órán belüli alapvető kvantumdinamika szerves részét képezik, rendkívül pontosak és stabilak. A NIST tudósai több atomórát, köztük az F1-et is tanulmányoznak cézium óra, amelynek hibaaránya millió év alatt egy másodperc.
A következő generációs időmeghatározás alkalmazásai
Nagy pontosságuk és precizitásuk miatt az atomórák több iparágban is hasznosakká váltak. „Részben az az oka annak, hogy a kvantum annyira az órákra összpontosít, hogy már van piac” – mondta Olson. „Az emberek tisztában vannak azzal, hogy ezek az órák léteznek, és hasznos technológia. Az emberek megvásárolják és használják őket. Sok más kvantumtechnológia van távolabb a láthatáron meglévő megalapozott gazdasági piacok nélkül, mint például a kvantumszámítógépek.” Az atomórákról már bebizonyosodott, hogy bomlasztó technológiát jelentenek az időmérésben, és a kvantumiparban sokan azt remélik, hogy kvantumszámítógépekre is átültetik. Ahogy Olson kijelentette; „Jelenleg nem vásárolhatsz kvantumszámítógépet egy boltban, de már évtizedek óta vásárolhatsz kvantumórákat kereskedelmi forgalomban.” Ezáltal ezek az eszközök elérhetőbbé válnak a kutatók és a vállalatok számára, hogy más technológiák fejlesztésében is felhasználhassák őket.
Mivel ezek az eszközök könnyen beszerezhetők, sok iparág már most is jelentős előnyökre fordítja előnyeiket. Tól től GPS műholdak a helyi hálózatokhoz, ezek az órák továbbfejlesztik a navigációs rendszereket, ami egyének egész sora számára előnyös lehet, beleértve a katonaságot is. „Például a szatnavok a műholdak fedélzetén lévő atomórákra támaszkodnak, hogy ki tudják számítani és követni tudják a vevő helyzetét” – magyarázta Margolis. Az atomórák különösen hasznosak abban is, hogy többet mondanak el a Föld alakjáról és gravitációs mezőiről. szerint a 2020 SPIE cikk: „Mivel a gravitáció jelenléte befolyásolja az idő múlását, a tengerszinthez közelebb eső órák valójában lassabban ketyegnek, mint a Mount Everest egyike, ami azt jelenti, hogy a fizikusok ezeket az órákat használhatják bolygónk alakjának nyomon követésére. Geodézia.” Ez a technológia még segítheti a tudósokat abban, hogy pontosabban nyomon kövessék a tengerszint változásait, vagy korai észlelési és figyelmeztető rendszereket biztosítanak a természeti katasztrófák számára.
Más iparágak, például a pénzügyek is találtak előnyöket ezekkel az eszközökkel. „Szinte minden pénzügyi tranzakcióhoz használják őket” – mondta Olson. „A legtöbb ember nem gondol rá, de az atomórák végső soron időbélyegzőket adnak a tőzsdei kereskedésekhez és az ATM-tranzakciókhoz. Tehát minden alkalommal, amikor pénzt vagy adatot bonyolít le, általában kap egy GPS-ből vagy más nyomon követhető időskálából származó időcímkét. Ez fontos a pénzügyi piacok biztonsága és szabályozása szempontjából.” Még az űrkutatás is talál hasznot az atomóráknak. Ban ben 2019, A NASA atomórát küldött pályára. „Ezek az órák segítenék az űrszondát a tájékozódásban és az autonóm navigációban” – olvasható a közelmúltban NASA cikk magyarázta. Ahhoz azonban, hogy jobban ki tudjuk használni az atomórákat, kisebb robusztus változatokra van szükség tervezett és fejlődött.
Atomórák és kvantumszámítógépek
A kvantumiparban sokan abban reménykednek, hogy az egyik technológiát, az atomórát kombinálják egy másikkal, a kvantumszámítógéppel. Már a közelmúltban végzett kutatások kimutatták, hogy egy atomórát kvantumszámítógéphez lehet csatlakoztatni, hogy rendkívül pontos érzékelő, amely a gravitációt és más erőket mérheti. „Az atomórák a létező legjobb frekvencia-referenciák” – magyarázta Olson. „És a frekvencia a legjobb mérhető minőség, amelyhez az emberiség hozzáfér. Tehát hasznos bármikor, amikor törődik azzal, hogy pontosan milyen frekvenciájú a lézer, ami az atom-lézer kölcsönhatást használó kvantumszámítógépeknek nagyon fontos. A lézerfrekvenciák stabilitása korlátozhatja a kvantumszámítás egyes modalitásait. Mert előfordulhat fáziszaj, frekvenciazaj, vagy más módon a zaj behatolhat, hogy tönkretegye a kapufunkciók hűségét. Ez gyakran javítható, ha megbízható frekvencia-referenciával rögzítik a lézereiket, vagy javítják a zajteljesítményüket, hasonlóan egy atomórához.
Ezekkel az atomórákból és kvantumszámítógépekből álló pontos szenzorokkal számos felhasználási területük van ezeknek a kvantumérzékelőknek és képalkotó eszközöknek. "Néhány rövid távú emberbarát alkalmazás a geológiában vagy a régészetben található, például olyan új képalkotási technikák, amelyek segítségével erdőket, dzsungeleket vagy a földet pásztázva ősi romokat találhat" - mondta Olson. „Ezek a technikák továbbvisznek katonai használat, ahol a csatateret úgy lehet nyomon követni és megfigyelni, mint még soha.” Bár még kutatásra van szükség, mások azt javasolták, hogy ezekkel az eszközökkel potenciálisan új olaj- vagy ásványi lelőhelyeket találjanak.
Noha a kvantumszámítástechnika előtt még hosszú utat kell megtenni, Olson úgy véli, hogy az atomórák fontosabbak lesznek a teljes hálózat számára, mint az egyes számítógépek. „Ez a kvantumhálózat, amelyre az információk továbbításához, az adatok szinkronizálásához és a biztonságos kvantumkommunikáció biztosításához órákra lesz szükségünk” – mondta. „Fontos lesz, hogy megértsük az átvitt információ idő- és frekvenciatartalmát… De egy kvantumszámítógép tényleges működése szerintem sokkal inkább a frekvencia-referenciákon fog alapulni, mint egy atomóráé.”
Kenna Hughes-Castleberry az Inside Quantum Technology és a Science Communicator munkatársa a JILA-nál (a Colorado Boulder Egyetem és a NIST partnersége). Írási ütemei közé tartozik a mélytechnológia, a metaverzum és a kvantumtechnológia.
