By Kenna Hughes-Castleberry đăng ngày 18 tháng 2022 năm XNUMX
Mặc dù con người không phải là loài duy nhất đo thời gian, nhưng theo một nghĩa nào đó, chúng ta coi nó là trọng tâm trong cuộc sống của mình. Từ việc lên lịch làm việc, các cuộc họp hoặc sự kiện, thậm chí là tổ chức sinh nhật, thời gian đã trở thành một khía cạnh có ảnh hưởng trong xã hội của chúng ta. Chúng tôi đo thời gian bằng cách sử dụng đồng hồ, cụ thể là đồng hồ cực kỳ chính xác được gọi là đồng hồ nguyên tử. “Đồng hồ nguyên tử có lẽ là một trong những công nghệ lượng tử lâu đời nhất, được sử dụng rộng rãi nhất,” giải thích Tiến sĩ Judith Olson, người đứng đầu Bộ phận Đồng hồ Nguyên tử tại LạnhLượng Lượng, một lượng tử dẫn đầu thị trường công ty. Không thể đánh giá thấp tầm quan trọng của những chiếc đồng hồ này đối với xã hội của chúng ta, vì chúng nằm sau hầu hết cơ sở hạ tầng của xã hội chúng ta. “Đồng hồ nguyên tử làm nền tảng cho nhiều công nghệ mà chúng ta phụ thuộc vào trong cuộc sống hàng ngày – hệ thống thông tin liên lạc hiện đại, phân phối năng lượng, hệ thống giao thông, và tài chính tất cả các giao dịch đều phụ thuộc vào các tiêu chuẩn về thời gian và tần suất chính xác,” lặp lại Helen Margolis, Trưởng phòng Khoa học về Thời gian và Tần suất tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Vương quốc Anh (Tỷ lệ nợ xấu).
Lý do mà đồng hồ nguyên tử rất chính xác là vì chúng tận dụng các tính chất cơ học lượng tử của nguyên tử và phân tử. Theo Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST), đồng hồ nguyên tử tập trung vào tần số cộng hưởng nguyên tử để đo thời gian. Trong khi ở đồng hồ thông thường (như đồng hồ đeo tay), một miếng thạch anh dao động ở một tần số nhất định và tần số đó được “tính” là thời gian, một quy trình tương tự được sử dụng với các nguyên tử và tia laser đặc biệt. Khi các nguyên tử thay đổi mức năng lượng khi tương tác với các tần số laser cụ thể, phản ứng của nguyên tử đối với các tần số này cho phép laser được ổn định. Sau đó, các tần số laser ổn định có thể được “đo và tính là “tích tắc” của đồng hồ. Vì các tần số cộng hưởng này là một phần vốn có của động lực học lượng tử cơ bản bên trong đồng hồ nên chúng cực kỳ chính xác và ổn định. Các nhà khoa học của NIST nghiên cứu nhiều đồng hồ nguyên tử, bao gồm cả F1 xêzi đồng hồ, có tỷ lệ lỗi một giây trong một triệu năm.
Các ứng dụng giữ thời gian thế hệ tiếp theo
Do độ chính xác và độ chính xác cao, đồng hồ nguyên tử đã trở nên hữu ích cho một số ngành công nghiệp. Olson nói: “Một phần lý do tại sao lượng tử lại tập trung vào đồng hồ như vậy là vì đã có sẵn thị trường. “Mọi người biết rằng những chiếc đồng hồ này tồn tại và là công nghệ hữu ích. Mọi người mua chúng và sử dụng chúng. Rất nhiều công nghệ lượng tử khác đang ở phía trước mà không có thị trường kinh tế đã được thiết lập sẵn có, chẳng hạn như máy tính lượng tử.” Đồng hồ nguyên tử đã được chứng minh là một công nghệ đột phá để chấm công, điều mà nhiều người trong ngành công nghiệp lượng tử hy vọng cũng có thể áp dụng cho máy tính lượng tử. Như Olson đã nói; “Bạn không thể ra ngoài và mua một máy tính lượng tử từ một cửa hàng ngay bây giờ, nhưng đã có thể mua đồng hồ lượng tử, thương mại hóa ngay bây giờ, trong nhiều thập kỷ.” Điều này làm cho các nhà nghiên cứu và công ty dễ tiếp cận hơn với các thiết bị này để sử dụng trong việc phát triển công nghệ khác.
Bởi vì các thiết bị này luôn sẵn có nên nhiều ngành công nghiệp đã tận dụng lợi ích của chúng để đạt được những lợi thế đáng kể. Từ GPS vệ tinh đến các mạng cục bộ, những chiếc đồng hồ này đang cải thiện hệ thống định vị, có thể mang lại lợi ích cho nhiều cá nhân, bao gồm cả quân đội. “Ví dụ, vệ tinh dựa vào đồng hồ nguyên tử trên vệ tinh để có thể tính toán và theo dõi vị trí của máy thu,” Margolis giải thích. Đồng hồ nguyên tử cũng đặc biệt hữu ích trong việc cho chúng ta biết thêm về hình dạng của Trái đất và các trường hấp dẫn của nó. Theo một TÌM HIỂU 2020 bài báo: “Vì sự hiện diện của lực hấp dẫn ảnh hưởng đến tốc độ thời gian trôi qua, đồng hồ ở gần mực nước biển thực sự chạy chậm hơn so với đồng hồ trên đỉnh Everest, điều đó có nghĩa là các nhà vật lý có thể sử dụng những chiếc đồng hồ này để theo dõi hình dạng của hành tinh chúng ta, một lĩnh vực khoa học được gọi là trắc địa.” Công nghệ này thậm chí có thể giúp các nhà khoa học theo dõi sự thay đổi của mực nước biển với độ chính xác cao hơn hoặc cung cấp các hệ thống phát hiện và cảnh báo sớm các thảm họa thiên nhiên
Các ngành khác như tài chính cũng đã tìm thấy lợi ích với các thiết bị này. “Chúng được sử dụng trong hầu hết mọi giao dịch tài chính,” Olson nói. “Hầu hết mọi người không nghĩ về nó, nhưng đồng hồ nguyên tử cuối cùng cung cấp dấu thời gian cho giao dịch chứng khoán và giao dịch ATM. Vì vậy, mỗi khi bạn giao dịch tiền hoặc dữ liệu, nó thường nhận được một thẻ thời gian bắt nguồn từ GPS hoặc các thang thời gian có thể theo dõi khác. Điều này rất quan trọng đối với an ninh và quy định của thị trường tài chính.” Ngay cả việc khám phá không gian cũng đang tìm cách sử dụng đồng hồ nguyên tử. Trong 2019, NASA đã gửi một chiếc đồng hồ nguyên tử vào quỹ đạo. “Những chiếc đồng hồ này sẽ giúp tàu vũ trụ tự định hướng và điều hướng một cách tự động,” một nghiên cứu gần đây bài viết của NASA giải thích. Tuy nhiên, để tận dụng nhiều hơn đồng hồ nguyên tử, các phiên bản bền chắc nhỏ hơn cần phải được thiết kế và phát triển.
Đồng hồ nguyên tử và máy tính lượng tử
Nhiều người trong ngành công nghiệp lượng tử đang hy vọng kết hợp một loại công nghệ, đồng hồ nguyên tử, với một loại khác, máy tính lượng tử. Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng một đồng hồ nguyên tử có thể được gắn vào một máy tính lượng tử để tạo ra một đồng hồ cực kỳ chính xác. cảm biến, có thể đo lực hấp dẫn và các lực khác. “Đồng hồ nguyên tử là tham chiếu tần số tốt nhất hiện có,” Olson giải thích. “Và tần suất là chất lượng có thể đo lường tốt nhất mà con người có thể tiếp cận. Vì vậy, nó hữu ích bất cứ khi nào bạn quan tâm đến tần số chính xác của tia laser của mình, thứ mà các máy tính lượng tử sử dụng tương tác laser nguyên tử quan tâm rất nhiều. Tính ổn định của tần số laser có thể là một hạn chế đối với một số phương thức trong điện toán lượng tử. Bởi vì bạn có thể bị nhiễu pha, nhiễu tần số hoặc các cách khác mà nhiễu có thể len lỏi vào để phá hủy độ trung thực của các chức năng cổng. Thông thường, điều đó có thể được cải thiện bằng cách có một tham chiếu tần số đáng tin cậy để khóa tia laser của chúng hoặc cải thiện hiệu suất tiếng ồn của chúng, tương tự như đồng hồ nguyên tử.”
Với những cảm biến chính xác được tạo thành từ đồng hồ nguyên tử và máy tính lượng tử, có rất nhiều ứng dụng cho các cảm biến lượng tử và thiết bị hình ảnh này. Olson cho biết: “Một số ứng dụng thân thiện với con người trong tương lai gần là trong địa chất hoặc khảo cổ học, chẳng hạn như các kỹ thuật hình ảnh mới mà bạn có thể quét qua các khu rừng, rừng rậm hoặc mặt đất để tìm các tàn tích cổ xưa. “Những kỹ thuật này mang lại cho quân sự sử dụng, nơi chiến trường có thể được theo dõi và quan sát hơn bao giờ hết.” Trong khi nghiên cứu vẫn cần được thực hiện, những người khác đã gợi ý rằng các thiết bị này có thể được sử dụng để tìm các mỏ dầu hoặc khoáng sản mới.
Mặc dù điện toán lượng tử vẫn còn một chặng đường dài phía trước, Olson tin rằng đồng hồ nguyên tử sẽ quan trọng hơn đối với mạng tổng thể so với các máy tính riêng lẻ. “Đó là mạng lượng tử mà chúng ta sẽ cần đồng hồ để truyền thông tin, đồng bộ hóa dữ liệu và đảm bảo liên lạc lượng tử an toàn,” cô nói. “Điều quan trọng là chúng ta phải hiểu nội dung thời gian và tần số của thông tin được truyền đi… Nhưng hoạt động thực tế của một máy tính lượng tử, tôi nghĩ, sẽ phụ thuộc nhiều vào các tham chiếu tần số hơn là đồng hồ nguyên tử.”
Kenna Hughes-Castleberry là nhà văn nhân viên của Inside Quantum Technology và Science Communicator tại JILA (hợp tác giữa Đại học Colorado Boulder và NIST). Những nhịp điệu viết lách của cô ấy bao gồm công nghệ sâu, siêu nghịch đảo và công nghệ lượng tử.
