By Kenna Hughes-Castleberry pubblicato il 18 novembre 2022
Sebbene gli esseri umani non siano l'unica specie a misurare il tempo, in un certo senso ne facciamo il fulcro della nostra vita. Dalla pianificazione del lavoro, delle riunioni o degli eventi, fino alla celebrazione dei compleanni, il tempo è diventato un aspetto influente della nostra società. Misuriamo il tempo utilizzando orologi, in particolare orologi estremamente precisi chiamati orologi atomici. "Gli orologi atomici sono probabilmente una delle tecnologie quantistiche più antiche e più utilizzate esistenti", ha spiegato La dottoressa Judith Olson, il capo della Divisione Orologio Atomico a ColdQuanta, un quantum leader di mercato azienda. L'importanza di questi orologi per la nostra società non può essere sottovalutata, poiché sono alla base della maggior parte delle infrastrutture della nostra società. “Gli orologi atomici sono alla base di molte delle tecnologie da cui dipendiamo nella nostra vita quotidiana: moderni sistemi di comunicazione, distribuzione di energia, sistemi di trasporto e finanziario il trading dipende tutto da precisi standard di tempo e frequenza ", ha fatto eco Elena Margolis, Head of Science for Time and Frequency presso il National Physics Laboratory del Regno Unito (NPL).
Il motivo per cui gli orologi atomici sono così precisi è perché sfruttano le proprietà quantomeccaniche di atomi e molecole. Secondo il National Institute of Standards and Technology (NIST), gli orologi atomici si concentrano sulle frequenze di risonanza atomica per misurare il tempo. Mentre in un normale orologio (come un orologio da polso) un pezzo di quarzo vibra a una certa frequenza e quella frequenza viene "contata" come tempo, un processo simile viene utilizzato con atomi e laser speciali. Poiché gli atomi cambiano i livelli di energia quando interagiscono con frequenze laser specifiche, la risposta atomica a queste frequenze consente il Luxinar SR AOM essere stabilizzato. Le frequenze laser stabilizzate possono quindi essere “misurate e contate come il “tick” di un orologio. Poiché queste frequenze di risonanza sono parte integrante della dinamica quantistica fondamentale all'interno dell'orologio, sono estremamente accurate e stabili. Gli scienziati del NIST studiano più orologi atomici, incluso l'F1 cesio orologio, che ha un tasso di errore di un secondo in un milione di anni.
Applicazioni di cronometraggio di nuova generazione
Grazie alla loro elevata accuratezza e precisione, gli orologi atomici sono diventati utili per diversi settori. "Parte del motivo per cui il quantum è così concentrato sugli orologi è che esiste già un mercato", ha affermato Olson. “Le persone sono consapevoli che questi orologi esistono e sono una tecnologia utile. La gente li compra e li usa. Molte altre tecnologie quantistiche sono all'orizzonte senza mercati economici consolidati esistenti, come i computer quantistici". Gli orologi atomici hanno già dimostrato di essere una tecnologia dirompente per il cronometraggio, che molti nell'industria quantistica sperano si traduca anche in computer quantistici. Come ha affermato Olson; "Non puoi uscire e comprare un computer quantistico da un negozio in questo momento, ma sei stato in grado di acquistare orologi quantici, commercialmente ormai, da decenni." Ciò rende questi dispositivi più accessibili per i ricercatori e le aziende da utilizzare nello sviluppo di altre tecnologie.
Poiché questi dispositivi sono prontamente disponibili, molti settori stanno già sfruttando i loro vantaggi per vantaggi significativi. Da GPS satelliti alle reti locali, questi orologi stanno migliorando i sistemi di navigazione, di cui possono beneficiare un'intera gamma di individui, compresi i militari. "Ad esempio, i navigatori satellitari si affidano agli orologi atomici a bordo dei satelliti per poter calcolare e tracciare la posizione del ricevitore", ha spiegato Margolis. Gli orologi atomici sono anche particolarmente utili per dirci di più sulla forma della Terra e sui suoi campi gravitazionali. Secondo a SPIEGAZIONE 2020 articolo: “Poiché la presenza della gravità influisce sulla velocità del tempo che passa, gli orologi più vicini al livello del mare in realtà ticchettano più lentamente di quelli sul Monte Everest, il che significa che i fisici possono utilizzare questi orologi per monitorare la forma del nostro pianeta, un campo scientifico noto come geodesia.” Questa tecnologia potrebbe persino aiutare gli scienziati a tracciare i cambiamenti nel livello del mare con maggiore precisione o fornire sistemi di rilevamento precoce e allerta per i disastri naturali
Anche altri settori come la finanza hanno trovato vantaggi con questi dispositivi. "Sono utilizzati in quasi tutte le transazioni finanziarie", ha affermato Olson. “La maggior parte delle persone non ci pensa, ma gli orologi atomici alla fine forniscono timestamp per le negoziazioni di azioni e le transazioni bancomat. Quindi, ogni volta che effettui transazioni di denaro o dati, di solito riceve un tag orario derivato dal GPS o da altri tempi tracciabili. Questo è importante per la sicurezza e la regolamentazione dei mercati finanziari”. Anche l'esplorazione dello spazio sta trovando un impiego per gli orologi atomici. In 2019 La NASA ha mandato in orbita un orologio atomico. "Questi orologi aiuterebbero il veicolo spaziale ad orientarsi e navigare autonomamente", ha recentemente affermato Articolo della NASA spiegato. Tuttavia, per sfruttare maggiormente gli orologi atomici, devono esserlo versioni rinforzate più piccole progettato e sviluppato.
Orologi atomici e computer quantistici
Molti all'interno dell'industria quantistica sperano di combinare un tipo di tecnologia, l'orologio atomico, con un altro, il computer quantistico. Ricerche già recenti hanno dimostrato che un orologio atomico può essere collegato a un computer quantistico per fare un ultra-preciso sensore, che potrebbe misurare la gravità e altre forze. "Gli orologi atomici sono i migliori riferimenti di frequenza esistenti", ha spiegato Olson. “E la frequenza è la migliore qualità misurabile a cui l'umanità ha accesso. Quindi, è utile ogni volta che ti interessa quale sia la frequenza esatta del tuo laser, a cui i computer quantistici che usano le interazioni atomo-laser si preoccupano molto. La stabilità delle frequenze laser può essere una limitazione per alcune modalità nel calcolo quantistico. Perché potresti avere rumore di fase, rumore di frequenza o altri modi in cui il rumore può insinuarsi per distruggere la fedeltà delle funzioni di gate. Spesso, ciò può essere migliorato disponendo di un riferimento di frequenza affidabile per bloccare i loro laser o migliorare le loro prestazioni di rumore, simile a un orologio atomico.
Con questi accurati sensori costituiti da orologi atomici e computer quantistici, ci sono molti usi per questi sensori quantistici e dispositivi di imaging. "Alcune applicazioni a breve termine a misura d'uomo sono in geologia o archeologia, come nuove tecniche di imaging in cui è possibile scansionare foreste, giungle o terreno per trovare antiche rovine", ha affermato Olson. “Queste tecniche vengono trasferite per militare uso, dove il campo di battaglia può essere monitorato e osservato come mai prima d'ora. Mentre la ricerca deve ancora essere fatta, altri hanno suggerito che questi dispositivi potrebbero essere utilizzati per trovare potenzialmente nuovi giacimenti di petrolio o minerali.
Sebbene il calcolo quantistico abbia ancora molta strada da fare, Olson ritiene che gli orologi atomici saranno più importanti per la rete complessiva rispetto ai singoli computer. "È la rete quantistica che avremo bisogno di orologi per trasmettere informazioni, sincronizzare i dati e garantire comunicazioni quantistiche sicure", ha affermato. "Sarà importante comprendere il contenuto di tempo e frequenza delle informazioni trasmesse... Ma il funzionamento effettivo di un computer quantistico, credo, si baserà molto di più sui riferimenti di frequenza di quanto non farebbe con un orologio atomico".
Kenna Hughes-Castleberry è una scrittrice presso Inside Quantum Technology e Science Communicator presso JILA (una partnership tra l'Università del Colorado Boulder e il NIST). I suoi ritmi di scrittura includono la tecnologia profonda, il metaverso e la tecnologia quantistica.
