XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Данная статья призвана дать общее представление, об работе квантово-логических часов. Так же в ознакомительном порядке в статье описаны принципы работы часов с оптической решеткой и цезиевых часов. В статье описаны области применения оптических часов и абсолютная точность. Присутствует обобщённая информация о ходе разработки. Так же в статье представлены способы решения основных трудностей возникающих при работе квантово-логических часов.

Ключевые слова: квантовые часы; оптические часы; цезиевые часы; часы с оптической решеткой; квантово-логические часы.

Вступление

Оптические часы оказали огромное влияние на современное общество. Они используются в GPS, ГЛОНАСС, финансовой деятельности, определение положения спутников, баллистических ракет, самолетов, подводных кораблей, также используются для передвижения автоматических автомобилей.

Оптические часы фундаментально легли в жизнь каждого из нас, из-за чего сложно представить многие процессы без них. Однако это сравнительно свежая технология отсчета времени.

Детальный вид ионной ловушки (золотая структура с крестообразным вырезом), используемой в новых квантовых логических часах NIST. Часы работают, используя охлажденный лазером Ион магния (желтый) для симпатического охлаждения захваченного Иона алюминия (синий), чьи сверхточные “тики” считываются с помощью квантовой логической спектроскопии от Иона магния-партнера.[3]

Квантово-логические часы

Самые точные часы в мире.

Исследователи из NIST(национальный исследовательский институт стандартов и технологий) представили новый экземпляр одно-ионных квантовых логический часов с самой высокой точностью тактовых сигналов. (9,4*10^-19)

Производительность и стабильность часов несколько ниже, чем у часов с оптической решеткой. При этом изобретатели считают, что высокая точность поможет в улучшении измерений фундаментальной физики. Потому исследователи продолжают работать над улучшением точности.

Проблемы, возникшие с ²⁷Al+.

Одноионные часы используют радиочастотные электрические поля для захвата иона, охлажденного лазером и затем считывают электронные переходы иона с помощью ультрастабильного узкополосного лазера.

Ханс Демельт впервые предположил, что такие захваченые колеблющиеся ионы могут образовывать несравненный стандарт частоты.

Демельт также сосредоточился на ионе ²⁷Al+, как самом сильном кандидате для таких ионных часов, из-за очень малой ширины линии в его четко определенном высокочастотном 1S₀⬌3P₀ -переходе, из-за его устойчивости к источникам шума, таким как излучение черного тела. Однако для современных лазерных технологий становится трудным процесс охлаждения иона, т.к оптический переход находится в вакуумном ультрафиолетовом излучении. [3]

Решение проблемы с ²⁷Al+.

В 2005 году команда NIST во главе с Девидом Уайнлендом нашла способ преодолеть трудности с захваченным ионом ²⁷Al+ - используя другой ион, ⁹Be+, в качестве посредника. В схеме известной, как квантовая логическая спектропия, ион-партнер, называется логическим ионом, - это лазер, охлаждаемый лазером. Затем этот ион охлаждает близлежащий ион ²⁷Al+. [3]

К 2010 году квантовые логические часы NIST с использованием магния, а не иона бериллия в качестве промежуточного звена достигли систематической неопределенности с точностью 8,6*10^-18, достаточной для определения замедления времени, предсказанного специальной относительностью, причем изменение высоты 33 сантиметра, что эквивалентно нескольким ступеням на обычной лестнице.

Однако с тех пор другая разновидность часов, так называемых часов с оптической решеткой, которые работают с помощью лазерного опроса ансамблей атомов, захваченных оптическими стоячими волнами, немного обходит превосходит эту точность.

Способ снижения теплового и ловушечного шума.

Специалисты NIST, стоящие за новой работой, возглавляемой Д. Лейбрандтом, верунули квантовые логические часы на первое место в гонке за точность чреди оптических часов. Им удалось это сделать благодаря новой конструкции ловушки, которая позволила минимизировать тепловой шум двух захваченных ионов, а также позволила набрать необходимые напряжения и радиочастотные поля, которые добавили микромодуляции, а они в свою очередь могли бы склеить сигнал от ²⁷Al+.

Результирующее измерение неопределенности, 9,4*10^-19, в свою очередь эта неопределенность не набирает и секунды погрешности за 1 миллиард лет. Эти часы облажают лучше стабильностью среди всех часов с захваченным ионом, однако все еще уступают часам с оптической решеткой.

Часы с оптической решеткой.

Физики из США и Италии создали оптические часы, которые имеют высочайшую точность. Если бы они работали на протяжении всей жизни вселенной, то не выиграли и не потеряли бы более 100 мс. Относительная точность таких часов составляет 2,5*10^-19.

Эти часы находятся в NIST.

Для работы они используют тысячи атомов стронция, заключенных в трехмерную оптическую решетку. Лазер используется для возбуждения чрезвычайно стабильного высокочастотного перехода в атомах стронция - тем самым создавая стандарт частоты.Так как каждый атом в решетке существует в несколько ином локальном окружении, относительно соседей, то атомы могут иметь несколько разные частоты перехода. Эту проблему решили объединением сверхточной оптической спектроскопии и изображений с высоким пространственным разрешением. Эти данные и легли в основу так называемой “частотной карты” тактовых импульсов, которая использовалась для выявления и устранения источников неравномерности частоты.Техника комбинированных измерений, которая легла в основу “частотной карты”, также позволила исследователям найти «магическую длину волны» лазера, используемого для создания решетки. Работа лазера на этой длине волны устраняет его возмущающее влияние на частоту атомов, еще больше повышая производительность часов.[1]

Графический принцип работы часов с оптической решеткой.

Цезиевые часы.

Мировым стандартом исчисления времени являются, цезиевые часы. Они очень точные, хоть и уступают квантово-логическим часам, однако они намного стабильнее.

В своей основе цезивые часы используют “переходы” электрона в атоме цезия.

Принцип работы таков: сначала атомы цезия при помощи множества лазеров плотно объединяются группу, из-за чего перетают вибрировать, понижая этим самым температуру практически до абсолютного нуля. После чего при помощи других лазеров эта группа атомов, попадает в некий резервуар, затем атомы падают под дейстивием силы тяжести (из-за этого процесса установка получила название “фонтан”), далее машина настраивает луч микроволнового излучения на резонансную частоту цзеия, из-за чего атом цезия возбуждается и электрон перепрыгивает на боллее широкую арбиту - этот процесс называют “переход”. А сам процесс знаменуется легким флуоресцированием. [2]

Данный вид часов точен до одной секунды на 158 миллионов лет.

Цезиевые часы «фонтан» - Великобритания

Заключение

NIST подчеркивает, что несмотря на конкуренцию все виды сверхточных часов, имеют место быть и все они помогают прогрессировать в точности измерений.

Однако благодаря квантово-логическим часам, по крайней мере, психологический эталон точности сместился с 10^-18 до 10^-19. Специалисты видят дальнейшее развитие этих часов благодаря улучшениям в конструкции ловушек, неопределенности в статической дифференциальной поляризуемости и давлении фонового газа.

Развитие данных технологий позволит более точно определить различные характеристики и постоянные, земли и других космических тел, позволит более точно отслеживать полеты воздушного и космического транспорта.

Список литературы:

Электронная Энциклопедия, https://www.britannica.com/science/quantum-mechanics-physics/Cesium-clock#ref611926

G. Edward Marti, Ross B. Hutson, Akihisa Goban, Sara L. Campbell, Nicola Poli, and Jun Ye Phys. Rev. Lett. 120, 103201 – Published 5 March 2018

Код для цитирования: Скопировать