Inside Quantum Technology의 Inside Scoop: Quantum 및 Atomic Clocks

인간이 시간을 측정하는 유일한 종은 아니지만, 어떤 의미에서 우리는 그것을 우리 삶의 초점으로 만듭니다. 업무, 회의 또는 이벤트 일정부터 생일 축하까지 시간은 우리 사회의 영향력 있는 측면이 되었습니다. 우리는 시계, 특히 원자 시계라고 하는 매우 정확한 시계를 사용하여 시간을 측정합니다. "원자시계는 아마도 현존하는 가장 오래되고 가장 널리 사용되는 양자 기술 중 하나일 것입니다."라고 설명했습니다. 주디스 올슨 박사, 원자시계 사업부장 콜드퀀타, 시장을 선도하는 양자 기업. 우리 사회의 대부분의 인프라 뒤에 시계가 있기 때문에 우리 사회에서 이러한 시계의 중요성은 과소평가될 수 없습니다. “원자시계는 현대 통신 시스템, 에너지 분배, 운송 시스템, 금융 거래는 모두 정확한 시간과 빈도 기준에 달려 있습니다.” 헬렌 마골리s, 영국 국립 물리학 연구소(National Physics Laboratory)의 시간 및 주파수 과학 책임자(NPL).

원자 시계가 매우 정확한 이유는 원자와 분자의 양자 역학적 특성을 활용하기 때문입니다. 국립 표준 기술 연구소(National Institute of Standards and Technology)에 따르면(NIST), 원자 시계는 시간을 측정하기 위해 원자 공명 주파수에 초점을 맞춥니다. 일반 시계(예: 손목시계)에서 석영 조각은 특정 주파수에서 진동하고 해당 주파수는 시간으로 "계산"되지만 원자 및 특수 레이저와 유사한 프로세스가 사용됩니다. 특정 레이저 주파수와 상호 작용할 때 원자가 에너지 수준을 변경함에 따라 이러한 주파수에 대한 원자 반응은 레이저 안정되다. 그런 다음 안정화된 레이저 주파수를 시계의 "틱"으로 "측정하고 계산할 수 있습니다. 이러한 공명 주파수는 시계 내 기본 양자 역학의 고유한 부분이므로 매우 정확하고 안정적입니다. NIST의 과학자들은 F1을 포함한 다중 원자 시계를 연구합니다. 세슘 XNUMX만년에 XNUMX초의 오류율을 보이는 시계.

차세대 시간 기록의 응용

높은 정확도와 정밀도로 인해 원자 시계는 여러 산업 분야에서 유용하게 사용되었습니다. "퀀텀이 시계에 그토록 집중하는 이유 중 하나는 이미 시장이 있기 때문입니다."라고 Olson은 말했습니다. “사람들은 이러한 시계가 존재하고 유용한 기술이라는 것을 알고 있습니다. 사람들은 그것을 사서 사용합니다. 양자 컴퓨터와 같이 기존에 확립된 경제 시장 없이 다른 많은 양자 기술이 더 많이 등장할 것입니다.” 원자 시계는 이미 계시를 위한 파괴적인 기술로 밝혀졌으며, 양자 산업의 많은 사람들은 이 기술이 양자 컴퓨터로 변환되기를 희망합니다. 올슨이 말했듯이; “당장 나가서 상점에서 양자 컴퓨터를 살 수는 없지만 양자 시계는 지금 ​​상업적으로 수십 년 동안 살 수 있었습니다.” 이를 통해 연구원과 회사가 다른 기술을 개발하는 데 활용할 수 있도록 이러한 장치에 더 쉽게 접근할 수 있습니다.

이러한 장치는 쉽게 사용할 수 있기 때문에 많은 산업에서 이미 상당한 이점을 얻기 위해 장치의 이점을 활용하고 있습니다. 에서 GPS 위성을 로컬 네트워크에 연결하여 이 시계는 내비게이션 시스템을 개선하고 있으며, 이는 군대를 포함한 모든 개인에게 도움이 될 수 있습니다. "예를 들어 위성 항법 장치는 수신기의 위치를 ​​계산하고 추적할 수 있도록 위성에 탑재된 원자 시계에 의존합니다."라고 Margolis는 설명했습니다. 원자 시계는 또한 지구의 모양과 중력장에 대해 더 많이 알려주는 데 특히 유용합니다. 에 따르면 2020 스파이 기사: "중력의 존재가 시간이 흐르는 속도에 영향을 미치기 때문에 해수면에 가까운 시계는 실제로 에베레스트산의 시계보다 느리게 갑니다. 즉, 물리학자들은 이 시계를 사용하여 지구 모양을 모니터링할 수 있습니다. 측지.” 이 기술은 과학자들이 더 정확하게 해수면 변화를 추적하거나 자연 재해에 대한 조기 감지 및 경고 시스템을 제공하는 데 도움이 될 수 있습니다.

금융과 같은 다른 산업에서도 이러한 장치의 이점을 발견했습니다. "거의 모든 금융 거래에 사용됩니다."라고 Olson은 말했습니다. “대부분의 사람들은 그것에 대해 생각하지 않지만 원자시계는 궁극적으로 주식 거래 및 ATM 거래에 대한 타임스탬프를 제공합니다. 따라서 돈이나 데이터를 거래할 때마다 일반적으로 GPS 또는 기타 추적 가능한 시간 척도에서 파생된 시간 태그를 받습니다. 이것은 금융 시장의 보안 및 규제에 중요합니다.” 우주 탐사에서도 원자 시계의 용도를 찾고 있습니다. ~ 안에 2019, NASA는 원자 시계를 궤도에 보냈습니다. "이 시계는 우주선이 스스로 방향을 잡고 자율적으로 탐색하는 데 도움이 될 것입니다." NASA 기사 설명했다. 그러나 원자 시계를 더 많이 사용하려면 더 작고 견고한 버전이 필요합니다. 설계 그리고 개발했다.

원자 시계 및 양자 컴퓨터

양자 산업의 많은 사람들은 원자 시계라는 한 유형의 기술을 다른 유형의 양자 컴퓨터와 결합하기를 희망하고 있습니다. 이미 최근 연구에서는 원자시계를 양자 컴퓨터에 부착하여 초정밀 시계를 만들 수 있음을 보여주었습니다. 감지기, 중력 및 기타 힘을 측정할 수 있습니다. "원자시계는 현존하는 최고의 주파수 기준입니다."라고 Olson은 설명했습니다. “그리고 주파수는 인류가 접근할 수 있는 최고의 측정 가능한 품질입니다. 따라서 원자-레이저 상호 작용을 사용하는 양자 컴퓨터가 많은 관심을 갖는 레이저의 정확한 주파수가 무엇인지 관심이 있을 때마다 유용합니다. 레이저 주파수의 안정성은 양자 컴퓨팅의 일부 양식에 제한이 될 수 있습니다. 위상 노이즈, 주파수 노이즈 또는 다른 방식으로 노이즈가 유입되어 게이트 기능의 충실도를 파괴할 수 있기 때문입니다. 종종 그것은 원자 시계와 유사하게 레이저를 잠그거나 노이즈 성능을 개선하기 위해 신뢰할 수 있는 주파수 기준을 가짐으로써 개선될 수 있습니다.”

원자 시계와 양자 컴퓨터로 구성된 이러한 정확한 센서를 통해 이러한 양자 센서 및 이미징 장치에 대한 많은 용도가 있습니다. Olson은 "단기적으로 사람들에게 친숙한 응용 프로그램은 숲, 정글 또는 땅을 스캔하여 고대 유적을 찾을 수 있는 새로운 이미징 기술과 같은 지질학 또는 고고학에 있습니다."라고 말했습니다. "이러한 기술은 군 전에 없던 방식으로 전장을 모니터링하고 관찰할 수 있는 곳입니다.” 아직 연구가 필요하지만 다른 사람들은 이러한 장치를 사용하여 잠재적으로 새로운 오일이나 광물 매장지를 찾을 수 있다고 제안했습니다.

양자 컴퓨팅은 아직 갈 길이 멀지만 올슨은 원자 시계가 개별 컴퓨터보다 전체 네트워크에 더 중요할 것이라고 믿습니다. "정보를 전송하고, 데이터를 동기화하고, 안전한 양자 통신을 보장하기 위해 시계가 필요한 것은 양자 네트워크입니다."라고 그녀는 말했습니다. "전송되는 정보의 시간과 주파수 내용을 이해하는 것이 중요할 것입니다. 하지만 양자 컴퓨터의 실제 작동은 원자 시계보다 주파수 참조에 훨씬 더 의존할 것이라고 생각합니다."

Kenna Hughes-Castleberry는 Inside Quantum Technology의 전속 작가이자 JILA(University of Colorado Boulder와 NIST 간의 파트너십)의 과학 커뮤니케이터입니다. 그녀의 글쓰기 비트에는 심층 기술, 메타버스 및 양자 기술이 포함됩니다.