By Kenna Hughes-Castleberry lagt ut 18. november 2022
Mens mennesker ikke er den eneste arten som måler tid, i en viss forstand, gjør vi den til fokus for våre liv. Fra å planlegge arbeid, møter eller arrangementer, til og med feire bursdager, har tid blitt et innflytelsesrikt aspekt av samfunnet vårt. Vi måler tid ved å bruke klokker, spesielt ekstremt nøyaktige klokker kalt atomklokker. "Atomklokker er sannsynligvis en av de eldste, mest brukte kvanteteknologiene som eksisterer," forklarte Dr. Judith Olson, sjefen for Atomic Clock Division kl ColdQuanta, et markedsledende kvante selskap. Betydningen av disse klokkene for samfunnet vårt kan ikke undervurderes, da de står bak det meste av samfunnets infrastruktur. "Atomklokker underbygger mange av teknologiene vi er blitt avhengige av i hverdagen - moderne kommunikasjonssystemer, energidistribusjon, transportsystemer og finansiell handel avhenger alt av nøyaktige tids- og frekvensstandarder,» lød det Helen Margolis, Head of Science for Time and Frequency ved Storbritannias National Physics Laboratory (NPL).
Grunnen til at atomklokker er så presise er fordi de utnytter kvantemekaniske egenskaper til atomer og molekyler. I følge National Institute of Standards and Technology (NIST), fokuserer atomklokker på atomresonansfrekvenser for å måle tid. Mens i en vanlig klokke (som et armbåndsur) et stykke kvarts vibrerer med en viss frekvens og den frekvensen "regnes" som tid, brukes en lignende prosess med atomer og spesielle lasere. Ettersom atomer endrer energinivåer når de samhandler med spesifikke laserfrekvenser, lar atomresponsen på disse frekvensene lasere bli stabilisert. De stabiliserte laserfrekvensene kan deretter "måles og telles som "tikken" til en klokke. Siden disse resonansfrekvensene er en iboende del av den grunnleggende kvantedynamikken i klokken, er de ekstremt nøyaktige og stabile. NISTs forskere studerer flere atomklokker, inkludert F1 cesium klokke, som har en feilrate på ett sekund på en million år.
Anvendelser av neste generasjons tidtaking
På grunn av deres høye nøyaktighet og presisjon, har atomklokker blitt nyttige for flere bransjer. "Noe av grunnen til at kvantum er så fokusert på klokker er at det allerede er et marked," sa Olson. «Folk er klar over at disse klokkene finnes og er nyttig teknologi. Folk kjøper dem og bruker dem. Mye annen kvanteteknologi er lenger i horisonten uten eksisterende etablerte økonomiske markeder, som kvantedatamaskiner." Atomklokker har allerede vist seg å være en forstyrrende teknologi for tidtaking, som mange i kvanteindustrien håper også kan oversettes til kvantedatamaskiner. Som Olson uttalte; "Du kan ikke gå ut og kjøpe en kvantedatamaskin fra en butikk akkurat nå, men har vært i stand til å kjøpe kvanteklokker, kommersielt nå, i flere tiår." Dette gjør disse enhetene mer tilgjengelige for forskere og bedrifter å bruke i utviklingen av annen teknologi.
Fordi disse enhetene er lett tilgjengelige, utnytter mange bransjer allerede fordelene sine for betydelige fordeler. Fra GPS satellitter til lokale nettverk, disse klokkene forbedrer navigasjonssystemene, noe som kan være til nytte for en hel rekke enkeltpersoner, inkludert militæret. "For eksempel er satellittnavigatorer avhengige av atomklokker om bord på satellitter for å kunne beregne og spore posisjonen til mottakeren," forklarte Margolis. Atomklokker er også spesielt nyttige for å fortelle oss mer om formen til jorden og dens gravitasjonsfelt. I følge a 2020 SPIE artikkel: "Fordi tilstedeværelsen av tyngdekraften påvirker hastigheten på tiden som går, tikker klokker nærmere havnivå faktisk saktere enn en på Mount Everest, noe som betyr at fysikere kan bruke disse klokkene til å overvåke formen på planeten vår, et vitenskapelig felt kjent som geodesi." Denne teknologien kan til og med muligens hjelpe forskere med å spore endringene i havnivået med mer nøyaktighet eller gi tidlig deteksjon og varslingssystemer for naturkatastrofer
Andre bransjer som finans har også funnet fordeler med disse enhetene. "De brukes i nesten alle økonomiske transaksjoner," sa Olson. «De fleste tenker ikke på det, men atomklokker gir til syvende og sist tidsstempler for aksjehandel og minibanktransaksjoner. Så hver gang du handler penger eller data, får den vanligvis en tidskode hentet fra GPS eller andre sporbare tidsskalaer. Dette er viktig for sikkerhet og regulering av finansmarkedene.» Selv romutforskning finner en bruk for atomklokker. I 2019, NASA sendte en atomklokke i bane. "Disse klokkene ville hjelpe romfartøyet med å orientere seg og navigere autonomt," en nylig NASA-artikkel forklart. Men for å få mer bruk ut av atomklokker, må mindre robuste versjoner være det designet og utviklet.
Atomklokker og kvantedatamaskiner
Mange innen kvanteindustrien håper å kombinere en type teknologi, atomklokken, med en annen, kvantedatamaskinen. Allerede nyere forskning har vist at en atomklokke kan festes til en kvantedatamaskin for å lage en ultra-nøyaktig sensor, som kunne måle tyngdekraften og andre krefter. "Atomklokker er de beste frekvensreferansene som finnes," forklarte Olson. "Og frekvens er den beste målbare kvaliteten menneskeheten har tilgang til. Så det er nyttig hver gang du bryr deg om nøyaktig hvilken frekvens laseren din er, hvilke kvantedatamaskiner som bruker atom-laser-interaksjoner bryr seg mye om. Stabiliteten til laserfrekvensene kan være en begrensning for noen modaliteter innen kvanteberegning. Fordi du kan ha fasestøy, frekvensstøy eller andre måter støy kan snike seg inn på for å ødelegge nøyaktigheten til portfunksjonene. Ofte kan det forbedres ved å ha en pålitelig frekvensreferanse for å låse laserne eller forbedre støyytelsen, som ligner på en atomklokke.»
Med disse nøyaktige sensorene som består av atomklokker og kvantedatamaskiner, er det mange bruksområder for disse kvantesensorene og bildeenhetene. "Noen folkvennlige applikasjoner på kort sikt er innen geologi eller arkeologi, som nye bildeteknikker der du kan skanne gjennom skoger, jungler eller bakken for å finne gamle ruiner," sa Olson. «Disse teknikkene bærer over for militær bruk, hvor slagmarken kan overvåkes og observeres som aldri før.» Mens forskning fortsatt må gjøres, har andre antydet at disse enhetene kan brukes til å potensielt finne nye olje- eller mineralforekomster.
Selv om kvanteberegning fortsatt har en lang vei å gå, mener Olson at atomklokker vil være viktigere for det totale nettverket enn individuelle datamaskiner. "Det er kvantenettverket vi trenger klokker for å overføre informasjon, synkronisere data og sikre sikker kvantekommunikasjon," sa hun. "Det kommer til å være viktig at vi forstår klokkeslettet og frekvensinnholdet i informasjonen som overføres ... Men selve driften av en kvantedatamaskin, tror jeg, vil stole mye mer på frekvensreferanser enn en atomklokke."
Kenna Hughes-Castleberry er stabsskribent ved Inside Quantum Technology og Science Communicator ved JILA (et partnerskap mellom University of Colorado Boulder og NIST). Skriverytmene hennes inkluderer dypteknologi, metaverset og kvanteteknologi.
