By 肯纳休斯 - 卡斯尔伯里 18 年 2022 月 XNUMX 日发布
虽然人类不是唯一测量时间的物种，但从某种意义上说，我们确实使它成为我们生活的焦点。 从安排工作、会议或活动，甚至庆祝生日，时间已成为我们社会的一个有影响力的方面。 我们使用时钟来测量时间，特别是称为原子钟的极其精确的时钟。 “原子钟可能是现存最古老、使用最广泛的量子技术之一，”解释说 朱迪思·奥尔森博士, 原子钟部门负责人 冷广达，市场领先的量子 公司。 这些时钟对我们社会的重要性不可低估，因为它们支持我们社会的大部分基础设施。 “原子钟支撑着我们日常生活中依赖的许多技术——现代通信系统、能源分配、运输系统和 金融 交易都取决于准确的时间和频率标准，”回应道 海伦马戈利s，英国国家物理实验室时间和频率科学负责人（不良贷款).
原子钟之所以如此精确，是因为它们利用了原子和分子的量子力学特性。 根据美国国家标准技术研究院（NIST), 原子钟专注于原子共振频率来测量时间。 虽然在普通时钟（如手表）中，一块石英以特定频率振动，并且该频率被“计算”为时间，但类似的过程用于原子和特殊激光器。 当原子在与特定激光频率相互作用时改变能级，原子对这些频率的响应让 激光器 得到稳定。 然后可以“测量并计算稳定的激光频率作为时钟的”滴答声“。 由于这些共振频率是时钟内基本量子动力学的固有部分，因此它们非常准确和稳定。 NIST 的科学家研究了多个原子钟，包括 F1 铯 时钟，它的误差率为一百万年一秒。
下一代计时的应用
由于其高精度和高精度，原子钟已在多个行业中发挥作用。 “量子如此专注于时钟的部分原因是已经有一个市场，”奥尔森说。 “人们知道这些时钟存在并且是有用的技术。 人们购买并使用它们。 在没有现成的经济市场的情况下，许多其他量子技术正在进一步发展，比如量子计算机。” 原子钟已被证明是一种颠覆性的计时技术，量子行业的许多人希望这种技术也能转化为量子计算机。 正如奥尔森所说； “你现在不能出去从商店购买量子计算机，但几十年来已经能够在商业上购买量子时钟。” 这使得这些设备更容易被研究人员和公司用于开发其他技术。
由于这些设备很容易获得，许多行业已经在利用它们的优势获得显着优势。 从 全球定位系统 卫星到本地网络，这些时钟正在改进导航系统，这可以使包括军队在内的所有个人受益。 “例如，卫星导航依靠卫星上的原子钟来计算和跟踪接收器的位置，”Margolis 解释道。 原子钟在告诉我们更多有关地球形状及其引力场的信息方面也特别有用。 根据一个 2020 年 SPIE 文章：“由于重力的存在会影响时间流逝的速度，因此靠近海平面的时钟实际上比珠穆朗玛峰上的时钟走得更慢，这意味着物理学家可以使用这些时钟来监测我们星球的形状，这个科学领域被称为 大地测量” 这项技术甚至可能帮助科学家更准确地追踪海平面的变化，或为自然灾害提供早期检测和预警系统
金融等其他行业也发现了这些设备的好处。 “它们几乎用于所有金融交易，”奥尔森说。 “大多数人没有想到，但原子钟最终为股票交易和 ATM 交易提供了时间戳。 因此，每次您进行货币或数据交易时，它通常都会获得一个源自 GPS 或其他可追踪时间尺度的时间标签。 这对于金融市场的安全和监管很重要。” 甚至太空探索也在寻找原子钟的用途。 在 NASA 将原子钟送入轨道。 “这些时钟将帮助航天器自行定位并自主导航，”最近的一项 美国宇航局文章 解释。 然而，为了更多地利用原子钟，需要更小的加固版本 设计 和发展。
原子钟和量子计算机
量子行业的许多人希望将一种技术（原子钟）与另一种技术（量子计算机）结合起来。 最近的研究已经表明，原子钟可以连接到量子计算机上，以实现超精确 传感器，可以测量重力和其他力。 “原子钟是现存最好的频率参考，”奥尔森解释道。 “频率是人类可以获得的最佳可衡量质量。 因此，只要你关心激光的确切频率，使用原子激光交互的量子计算机非常关心，它就会很有用。 激光频率的稳定性可能是量子计算中某些模式的限制。 因为您可能有相位噪声、频率噪声或噪声可能以其他方式侵入，从而破坏门功能的保真度。 通常，可以通过使用可靠的频率参考来锁定激光器或提高噪声性能来改善这一点，类似于原子钟。”
有了这些由原子钟和量子计算机组成的精确传感器，这些量子传感器和成像设备有很多用途。 “一些近期对人友好的应用是在地质学或考古学中，比如你可以扫描森林、丛林或地面以寻找古代遗迹的新成像技术，”奥尔森说。 “这些技术延续到 军事 使用，可以以前所未有的方式监视和观察战场。” 虽然仍需进行研究，但其他人建议这些设备可用于寻找新的石油或矿藏。
尽管量子计算还有很长的路要走，但奥尔森认为原子钟对整个网络的重要性将超过单个计算机。 “这是我们需要时钟来传输信息、同步数据并确保安全量子通信的量子网络，”她说。 “了解所传输信息的时间和频率内容非常重要……但我认为，与原子钟相比，量子计算机的实际操作将更多地依赖于频率参考。”
Kenna Hughes-Castleberry 是 Inside Quantum Technology 的特约撰稿人和 JILA（科罗拉多大学博尔德分校与 NIST 的合作机构）的科学传播者。 她的写作节奏包括深度技术、元宇宙和量子技术。
