By Кенна Хьюз-Каслберрі опубліковано 18 листопада 2022 р
Хоча люди не єдиний вид, який вимірює час, у певному сенсі ми робимо його центром нашого життя. Від планування роботи, зустрічей чи подій до святкування днів народження – час став впливовим аспектом нашого суспільства. Ми вимірюємо час за допомогою годинників, зокрема надзвичайно точних годинників, які називаються атомними. «Атомні годинники, ймовірно, є однією з найдавніших і найпоширеніших квантових технологій», — пояснив Доктор Джудіт Олсон, начальник відділу атомних годинників в ColdQuanta, лідируючий на ринку квант компанії. Важливість цих годинників для нашого суспільства не можна недооцінювати, оскільки вони стоять за більшою частиною інфраструктури нашого суспільства. «Атомні годинники лежать в основі багатьох технологій, від яких ми звикли залежати в нашому повсякденному житті – сучасних систем зв’язку, розподілу енергії, транспортних систем і фінансовий уся торгівля залежить від точних стандартів часу та частоти», – повторили Хелен Марголіs, керівник наукового відділу часу та частоти Національної фізичної лабораторії Великобританії (NPL).
Причина того, що атомний годинник настільки точний, полягає в тому, що вони використовують квантово-механічні властивості атомів і молекул. За даними Національного інституту стандартів і технологій (NIST), атомний годинник зосереджується на частотах атомного резонансу для вимірювання часу. Тоді як у звичайному годиннику (наприклад, наручному) шматок кварцу вібрує з певною частотою, і ця частота «зараховується» як час, подібний процес використовується з атомами та спеціальними лазерами. Оскільки атоми змінюють рівні енергії під час взаємодії з певними лазерними частотами, реакція атома на ці частоти дозволяє лазери бути стабілізованим. Стабілізовані лазерні частоти можна «виміряти та порахувати як «так» годинника. Оскільки ці резонансні частоти є невід’ємною частиною фундаментальної квантової динаміки годинника, вони надзвичайно точні та стабільні. Вчені NIST вивчають кілька атомних годинників, у тому числі F1 цезій годинник, який має частоту помилок одну секунду на мільйон років.
Застосування хронометражу нового покоління
Завдяки своїй високій точності атомний годинник став корисним для кількох галузей промисловості. «Частиною причини, чому Quantum так зосереджено на годиннику, є те, що ринок уже існує», — заявив Олсон. «Люди знають, що ці годинники існують і є корисною технологією. Люди купують їх і використовують. Багато інших квантових технологій знаходяться далі на горизонті без існуючих усталених економічних ринків, як-от квантові комп’ютери». Атомні годинники вже показали, що це революційна технологія для вимірювання часу, яку багато хто з квантової індустрії сподівається також перенести на квантові комп’ютери. Як сказав Олсон; «Ви не можете піти й купити квантовий комп’ютер у магазині прямо зараз, але ви можете купувати квантові годинники комерційно протягом десятиліть». Це робить ці пристрої більш доступними для дослідників і компаній для використання в розробці інших технологій.
Оскільки ці пристрої легко доступні, багато галузей промисловості вже використовують їхні переваги для отримання значних переваг. Від GPS супутників до локальних мереж, ці годинники покращують навігаційні системи, що може бути корисним для цілого ряду осіб, у тому числі військових. «Наприклад, супутникові навігації покладаються на атомний годинник на борту супутників, щоб мати можливість обчислювати та відстежувати положення приймача», — пояснив Марголіс. Атомні годинники також особливо корисні, оскільки розповідають нам більше про форму Землі та її гравітаційні поля. За словами а 2020 SPIE стаття: «Оскільки наявність сили тяжіння впливає на швидкість плину часу, годинники, розташовані ближче до рівня моря, фактично цокають повільніше, ніж годинники на горі Еверест, а це означає, що фізики можуть використовувати ці годинники для спостереження за формою нашої планети, наукової галузі, відомої як геодезія.” Ця технологія може навіть допомогти вченим відстежувати зміни рівня моря з більшою точністю або забезпечити системи раннього виявлення та попередження про стихійні лиха
Інші галузі, такі як фінанси, також знайшли переваги цих пристроїв. «Вони використовуються майже в усіх фінансових операціях», — заявив Олсон. «Більшість людей не замислюються про це, але атомний годинник, зрештою, надає мітки часу для біржових угод і транзакцій банкоматів. Отже, кожного разу, коли ви здійснюєте транзакцію з грошима або даними, вони зазвичай отримують позначку часу, отриману за допомогою GPS або інших відстежуваних часових шкал. Це важливо для безпеки та регулювання фінансових ринків». Навіть дослідження космосу знаходять застосування атомним годинникам. в 2019, NASA відправило на орбіту атомний годинник. «Ці годинники допомагали б космічному кораблю орієнтуватися та здійснювати автономну навігацію», — нещодавно Стаття НАСА пояснив. Однак, щоб отримати більше користі від атомних годинників, потрібні менші захищені версії призначений і розроблений.
Атомні годинники та квантові комп'ютери
Багато хто в квантовій індустрії сподівається поєднати один тип технології, атомний годинник, з іншим, квантовим комп’ютером. Вже нещодавні дослідження показали, що атомний годинник можна приєднати до квантового комп’ютера, щоб зробити надточний датчик, який міг вимірювати силу тяжіння та інші сили. «Атомні годинники є найкращими джерелами частоти», — пояснив Олсон. «Частота — це найкраща вимірювана якість, до якої має доступ людство. Отже, це корисно щоразу, коли ви дбаєте про точну частоту вашого лазера, про що дуже дбають квантові комп’ютери, які використовують взаємодію атома з лазером. Стабільність лазерних частот може бути обмеженням для деяких модальностей квантових обчислень. Тому що у вас можуть бути фазовий шум, частотний шум або інші шляхи проникнення шуму, щоб порушити точність функцій воріт. Часто це можна покращити, маючи надійну опорну частоту для блокування їхніх лазерів або покращення їхніх шумових характеристик, подібно до атомного годинника».
Ці точні датчики, що складаються з атомних годинників і квантових комп’ютерів, мають багато застосувань для цих квантових датчиків і пристроїв для обробки зображень. «Деякі найближчі програми, зручні для людей, є в геології чи археології, як-от нові методи отримання зображень, за допомогою яких ви можете сканувати ліси, джунглі чи землю, щоб знайти стародавні руїни», — сказав Олсон. «Ці методи переносять для військовий використання, де поле бою можна контролювати та спостерігати, як ніколи раніше». Хоча дослідження ще потрібно провести, інші припускають, що ці пристрої можуть бути використані для пошуку нових покладів нафти чи корисних копалин.
Хоча до квантових обчислень ще належить пройти довгий шлях, Олсон вважає, що атомні годинники будуть важливішими для всієї мережі, ніж окремі комп’ютери. «Це квантова мережа, для якої нам знадобляться годинники для передачі інформації, синхронізації даних і забезпечення безпечного квантового зв’язку», – заявила вона. «Буде важливо, щоб ми розуміли часовий і частотний вміст інформації, що передається… Але фактична робота квантового комп’ютера, я думаю, буде набагато більше покладатися на опорні частоти, ніж атомний годинник».
Кенна Хьюз-Кастлберрі є штатним автором Inside Quantum Technology і науковим комунікатором JILA (партнерство між Університетом Колорадо в Боулдері та NIST). Її ритми написання включають глибинні технології, метавсесвіт і квантові технології.
