Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Poszukiwanie nowej sekundy. Porównanie trzech najlepszych zegarów ujawniło niespodziewane różnice

Recommended Posts

Grupa ekspertów porównała trzy najlepsze na świecie zegary atomowe. Okazało się, że istnieją niespodziewane różnice w dokonywanych przez nie pomiarach czasu. Badania pozwolą na udoskonalenie przyszłych zegarów atomowych i mogą odegrać ważną rolę w ustaleniu nowego standardu sekundy, do którego to niezbędne jest wysyłanie na cały świat i porównywanie sygnałów z zegarów atomowych.

Specjaliści z Boulder Atomic Clock Optical Network Collaboration połączyli zegary za pomocą światłowodów i optycznych łączy bezprzewodowych i dokonali 10-krotnie bardziej dokładnych porównań niż dotychczas.

Zegary atomowe wykorzystują częstotliwość drgań atomów do niezwykle stabilnych pomiarów czasu. Obecny standard sekundy opiera się na drganiach atomów cezu pracujących z częstotliwością mikrofalową. Istnieją już jednak znacznie bardziej precyzyjne zegary atomowe wykorzystujące częstotliwość fali światła. Zegary te działają z dokładnością 1 części na 1018, są więc około 100-krotnie bardziej dokładne niż zegary cezowe.

Międzynarodowa społeczność metrologów ma zamiar zrezygnować ze standardu sekundy opartego na cezie i zastąpić go standardem wykorzystującym światło. Jednak najpierw trzeba wybrać, który z optycznych zegarów – a zbudowano ich już wiele według różnych technologii – posłuży za nowy standard. Naukowcy muszą więc porównać i ocenić te zegary, muszą więc mieć możliwość porównania generowanych przez nie sygnałów.

David Hume i jego koledzy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) oraz University of Colorado porównali sygnały trzech zegarów atomowych z Boulder. Jeden z nich wykorzystuje atomy iterbu, drugi strontu, a trzeci jony glinu i magnezu.

Za pomocą światłowodu o długości 3,6 km porównano częstotliwości zegarów iterbowego (znajduje się w siedzibie NIST) oraz strontowego (jest na University of Colorado). Z kolei zegary iterbowy i magnezonowo-glinowy (oba są w NIST) połączono za pomocą 1,5 kilometrowego bezprzewodowego łącza optycznego. Specjaliści wykorzystali optyczne grzebienie częstości, które pozwoliły im porównywać sygnały w różnych częstotliwościach.

Optyczne łącze bezprzewodowe okazało się bardzo odporne na zakłócenia powodowane przez turbulencje powietrza. Z wyjątkiem sytuacji, gdy pomiarów dokonywano w czasie burzy śnieżnej, były ono równie stabilne i wydajne, co łącze przewodowe.

Ekspertom udało się zmierzyć stosunek częstotliwości trzech par zegarów z dokładnością 1/1018. Dotychczas podobne pomiary były dokonywane z dokładnością 1/1017.

Zegary porównywano przez wiele miesięcy, a naukowcy zauważyli niespodziewane różnice pomiędzy poszczególnymi dniami. To wskazuje, że eksperci nie do końca rozumieją, co wpływa na wydajność i sposób pracy zegarów. Można je zatem udoskonalić.

Możliwość lepszego porównywania zegarów atomowych przyda się nie tylko podczas ustalenia nowego standardu sekundy, ale przyniesie korzyści innym dziedzinom nauki. Zegary atomowe położone na różnej wysokości mogą być używane do pomiarów niewielkich przesunięć skorupy ziemskiej spowodowanych topnieniem lodowców czy rosnącym poziomem oceanów. Różnice pomiędzy zegarami atomowymi mogą też zostać wykorzystane do wykrycia ciemnej materii.

Wyniki badań opisano na łamach Nature.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy i inżynierowie z kanadyjskiej firmy Xanadu Quantum Technologies we współpracy z amerykańskim Narodowym Instytutem Standardów i Technologii, stworzyli programowalny, skalowalny kwantowy fotoniczny układ scalony, na którym można uruchamiać różne algorytmy. Szczegóły układu zostały opisane na łamach Nature.
      Naukowcy i firmy na całym świecie pracują nad praktycznymi komputerami kwantowymi. Maszyny takie byłyby w stanie wykonywać obliczenia, których za pomocą komputerów klasycznych nie da się przeprowadzić w rozsądnym czasie.
      Obecnie dominują dwie technologie – układy oparte na materiałach nadprzewodzących oraz na jonach złapanych w pułapkę. Obie mają swoje wady i zalety, a jedną z najpoważniejszych wad jest konieczność schłodzenia takich układów do bardzo niskich temperatur, co praktycznie wyklucza skalowanie takich rozwiązań i zastosowanie ich w większości miejsc, w których stosujemy obecne komputery.
      Znacznie mniej rozpowszechnione i mniej nagłośnione są technologie bazujące na fotonice. W tego typu układach trudniej jest bowiem uzyskać i przekazywać stany kwantowe. Z kolei olbrzymią zaletą takich układów jest fakt, że mogą pracować w temperaturze pokojowej.
      Teraz inżynierowie z Xanadu donoszą, że pokonali część problemów związanych z układami fotonicznymi i stworzyli działający chip, który można skalować i uruchamiać na nim różnego typu algorytmu. Firma ogłosiła, że moc obliczeniowa kość X8 zostanie komercyjnie udostępniona. Zainteresowani będą mogli skorzystać z 8- lub 12-kubitowego systemu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zegary atomowe to najbardziej precyzyjne narzędzie do pomiaru czasu. Wykorzystuje się w nich lasery, które mierzą wibracje atomów drgających ze stałą częstotliwością. Obecnie najbardziej precyzyjne zegary atomowe mierzą czas tak dokładnie, że gdyby istniały od początku wszechświata to spóźniłyby się lub przyspieszyły o nieco ponad pół sekundy. Okazuje się jednak, że mogą być jeszcze bardziej precyzyjne.
      Naukowy z MIT doszli do wniosku, że jeśli zegary atomowe z większą precyzją mierzyłyby drgania atomów, można by za ich pomocą wykrywać ciemną materię czy fale grawitacyjne. Na łamach Nature poinformowali właśnie, że stworzyli zegar atomowy mierzący nie chmurę swobodnie drgających atomów, ale atomów ze sobą splątanych. Uczeni informują, że jeśli najnowocześniejsze zegary atomowe przystosuje się do pracy ze splątanymi atomami według ich pomysłu, to ich precyzja zwiększy się co najmniej czterokrotnie. Takie zegary, istniejące od początku wszechświata, przyspieszyłyby lub opóźniły o mniej niż... 100 milisekund.
      Gdy tylko ludzie zaczęli mierzyć czas, korzystali przy tym z regularnych zjawisk, jak np. wędrówka Słońca po nieboskłonie. Obecnie najlepszym dostępnym nam regularnym zjawiskiem są drgania atomów. Perfekcyjny pomiar czasu polegałby na obserwacji drgań pojedynczego atomu. Jednak atomy są tak małe, że podlegają zasadom mechaniki kwantowej. Pomiar zmienia ich stan. Dopiero wiele takich pomiarów i uśrednienie ich wyników daje poszukiwaną wartość. Jeśli zwiększymy liczbę atomów i uśrednimy wynik z nich otrzymywany, to dostaniemy prawidłową odpowiedź, mówi Simone Colombo z MIT. Dlatego też współczesne zegary atomowe pracują z chmurami tysięcy atomów.
      Typowy zegar atomowy wykorzystuje lasery do umieszczenia schłodzonych atomów w pułapce. Inny, bardzo stabilny laser, jest zaś odpowiedzialny za rejestrowanie drgań tych atomów. Mimo tego, wciąż istnieje pewien margines błędu. I tutaj właśnie, jak przekonują naukowcy z MIT, pomoże kwantowe splątanie atomów. Uczeni stwierdzili, że jeśli atomy zostaną splątane, ich indywidualne oscylacje zostaną bardziej ograniczone i będą bardziej pasowały do drgań całej grupy, zatem odchylenia będą mniejsze niż w przypadku atomów niesplątanych.
      Profesor Vladan Vuletic i jego koledzy splątali około 350 atomów iterbu, których częstotliwość drgań jest podobna jak światła widzialnego. Oznacza to, że w ciągu sekundy jeden atom iterbu drga 100 000 razy częściej niż atom cezu.
      Uczeni wykorzystali standardową technikę chłodzenia atomów i zamknięcia ich we wnęce optycznej utworzonej z dwóch luster. Następnie wysłali do wnęki promień lasera, który odbijał się pomiędzy lustrami, wchodząc w tysiące interakcji z atomami. Światło utworzyło kanał komunikacyjny pomiędzy atomami. Pierwszy atom, z którym się spotkało, nieco je zmodyfikował, światło zmodyfikowało drugi atom, potem trzeci i tak dalej. I w ciągu wielu cykli atomy „poznały się nawzajem” i zaczęły podobnie się zachowywać, mówi Chi Shu.
      W ten sposób naukowcy splątali ze sobą atomy, a następnie wykorzystali laser do pomiaru ich częstotliwości. Gdy porównali swój zegar z zegarem z niesplątanymi atomami stwierdzili, że ich osiąga pożądaną precyzję czterokrotnie szybciej. Zawsze można uczynić zegar bardziej precyzyjny dokonując dłuższego pomiaru. Pytanie jednak brzmi, ile czasu potrzeba, by osiągnąć wymaganą precyzję. Wiele zjawisk musi być mierzonych niezwykle szybko, mówi Vuletic.
      Zdaniem naukowca tak udoskonalone zegary atomowe mogą dać nam odpowiedź na wiele intrygujących pytań. Czy w miarę starzenia się wszechświata światło zmienia prędkość? Czy zmienia się ładunek elektronu?, takie właśnie kwestie chcą rozstrzygać naukowcy dysponujący zegarami atomowymi.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Współczesne zegary optyczne pracują z dokładnością 1 sekundy na 20 miliardów lat. Dlatego też naukowcy z USA, pracujący pod kierunkiem Juna Ye z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii postanowili wykorzystać tę precyzję oraz niezwykłą stabilność wykorzystywanych w nich kryształów krzemowych do uściślenia zakresu potencjalnych interakcji zachodzących pomiędzy ciemną materią a cząstkami i polami Modelu Standardowymi.
      O ciemnej materii wiemy niewiele. Mamy jedynie pośrednie dowody na jej istnienie, gdyż widzimy wywierane przez nią efekty grawitacyjne w skali galaktycznej i kosmologicznej. Jednym z elementów, które dotychczas wymykają się naukowcom poszukującym ciemnej materii są spodziewane oscylacje stałych fizycznych, jakie powinny zachodzić na styku ciemnej materii oddziałującej z cząstkami Modelu Standardowego. Ye i jego zespół zdali sobie sprawę, że jeśli za pomocą zegara optycznego nie uda się zaobserwować takich oscylacji, oznacza to, że siła interakcji ciemnej materii z materią jest znacznie mniejsza niż obecnie przyjmowana.
      Poszukiwania ciemnej materii prowadzone są w wielu laboratoriach na świecie. Cząstkami ciemnej materii mogą być hipotetyczne aksjony czy WIMP-y (słabo oddziałujące masywne cząstki) o masach sięgających 100 GeV. Jednak Amerykanie postanowili przyjrzeć się drugiemu krańcowi masy. Wykorzystali zegar optyczny do poszukiwania możliwych interakcji pomiędzy ciemną materią a materią przy masach znacznie poniżej 1 eV czyli o 500 000 razy mniejszych niż masa elektronu w czasie spoczynku.
      Zegary optyczne to rodzaj zegarów atomowych. Wykorzystują one drgania atomów strontu. Częstotliwość ich pracy jest bezpośrednio związana z niektórymi stałymi fizycznymi, co pozwala dokonywać niezwykle precyzyjnych pomiarów ewentualnych zmian.
      Ye i jego zespół użyli więc zegara optycznego do poszukiwania jakichkolwiek zmian stałej struktury subtelnej (α), która opisuje siłę oddziaływań elektromagnetycznych. W tym celu porównali częstotliwość drgań atomu strontu z krzemową wnęką optyczną. Częstotliwość obu jest definiowana przez α oraz inną stałą fizyczną, masę spoczynkową elektronu (me).
      Jednak w obu przypadkach zależności pomiędzy stałymi są różne, zatem ich stosunek do siebie pozwala na określenie ewentualnych zmian α. Używano już zegarów atomowych pracujących z częstotliwościami mikrofalowymi do określenia granic siły oddziaływania ciemnej materii. Nasza praca to pierwsza próba wykorzystania zegara optycznego do znalezienia oscylacji świadczących o istnieniu ciemnej materii, mówi Ye.
      Naukowcy porównali więc częstotliwość wnęki optycznej do częstotliwości zegara optycznego i dodatkowo użyli też częstotliwości wodorowego masera. Co prawda urządzenie to nie pozwala na tak precyzyjne pomiary jak zegar optyczny, jednak bazuje on na innym stosunku częstotliwości do α i me, a dzięki porównaniu tych właściwości z danymi krzemowej wnęki można sprawdzać ewentualne oscylacje wartości me. O ile oscylacje wartości a wskazywałaby na oddziaływania pomiędzy ciemną materią a polem elektromagnetycznym, to oscylacje me ujawniłyby jej interakcje z elektronem.
      Wykorzystanie w pomiarach krzemowej wnęki optycznej pozwala dodatkowo skorzystać z jej stabilności. Większość takich wnęk jest wykonanych ze szkła, które jest nieuporządkowanym amorficznym ciałem stałym. Nowa generacja krzemowych wnęk optycznych wykonanych z pojedynczego kryształu krzemu utrzymywanego w temperaturach kriogenicznych powoduje, że są one o cały  rząd wielkości bardziej stabilne. To podstawowa zaleta naszej pracy, mówi Colin Kennedy, jeden z autorów badań.
      Tak jak się spodziewano, nie zaobserwowano oscylacji podstawowych stałych fizycznych spowodowanych oddziaływaniem z ciemną materią. Oznacza to, że dla cząstek ciemnej materii o masie od 4,5 x 10-16 aż do 1 x 10-19 eV możliwa siła oddziaływań definiowana przez α jest nawet pięciokrotnie mniejsza niż obecnie zakładana. Dla stałej me i cząstek o masie 2 x 10-19 po 2 x 10-21 eV siła ta jest nawet 100-krotnie mniejsza.
      Ze szczegółami można zapoznać się w pracy Precision Metrology Meets Cosmology: Improved Constraints on Ultralight Dark Matter from Atom-Cavity Frequency Comparisons

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Optyczne pułapki z uwięzionymi jonami iterbu mogą w przyszłości stanowić szkielet kwantowego internetu, służący do wysyłania splątanych cząstek na duże odległości. Do takich wniosków doszedł Jonathan Kindem i jego zespół z California Institute of Technology (Caltech), który zauważył, że jony iterbu pozostają splątane z fotonami przez długi czas. Co więcej, naukowcy wykazali, że stan kwantowy jonu można odczytać za pomocą lasera i mikrofal.
      W laboratoriach powoli powstają kwantowe komputery. Aby w pełni wykorzystać ich możliwości, konieczne będzie stworzenie „kwantowego internetu”, za pośrednictwem którego maszyny takie będą mogły wymieniać dane. Jednak kwantowana informacja jest ze swej natury niezwykle delikatna, co oznacza, że bardzo trudno jest wysłać ją na duże odległości.
      Komputery kwantowe kodują informacje w kwantowym stanie materii, na przykład w uwięzionych atomach czy obwodach nadprzewodzących. Jednak najlepszym sposobem na przesłanie takiej informacji jest wykorzystanie fotonów. Tutaj poważne wyzwanie stanowi transfer informacji z kubitów bazujących na materiałach stałych do kubitów zakodowanych w fotonach oraz z powrotem.
      Kubity bazujące na materiałach stałych wchodzą w silne interakcje ze światłem, więc informację do fotonu przekazać jest łatwo. Jednak kubity w fotonach żyją bardzo krótko, przez co trudno je wykorzystać w praktyce. Z drugiej strony uwięzione atomy czy jony są zdolne do długotrwałego przechowywania kubitów, jednak słabo reagują one ze światłem. Szczególnie interesujące są tutaj jony metali ziem rzadkich.  Mają one właściwości, które pozwalają na tworzenie wyjątkowo żywotnych kubitów, jednak naukowcy mają poważne problemy, by uwięzić je w taki sposób, by można je było kontrolować za pomocą światła i by wchodziły z nim w interakcje.
      Zespół Kindema wykazał, że problemy te można rozwiązać wykorzystując jony iterbu umieszczone w odpowiedniej pułapce optycznej, która intensyfikuje ich interakcję ze światłem. Pułapka taka to periodyczna struktura o długości 10 mikrometów pokryta powtarzającym się wzorcem w nanoskali. W centrum takiej struktury umieszczony został jon. Światło wielokrotnie odbija się w takiej pułapce, przez co zwiększa się prawdopodobieństwo, że wejdzie ono w interakcję z jonem.
      Testy wykazały, że splątany foton pozostawał w pułapce przez ponad 99% czasu. Dzięki temu naukowcy mogli obserwować system składający się z fotonu i jonu. Okazało się, że były one splątane przez 30 mikrosekund. To wystarczająco długo, by przesłać informację na terenie kontynentalnych Stanów Zjednoczonych.
      Teraz zespół Kindema pracuje nad skalowaniem swojego systemu tak, by przeprowadzić eksperyment z rzeczywistą wymianą informacji pomiędzy odległymi kubitami. W ten sposób mogłyby powstać podwaliny pod kwantowy internet, który umożliwi nie tylko wymianę kwantowych informacji, ale pozwoli też, by komputery kwantowe wspólnie dokonywały obliczeń. To zaś pozwoliłoby na przeprowadzanie niezwykle złożonych operacji na gigantycznych zbiorach danych.
      Wyniki badań zostały opublikowane na łamach Nature.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Jeszcze niedawno najbardziej precyzyjnym zegarem atomowym był australijski Kriogeniczny Oscylator Szafirowy (Zegar Szafirowy). Teraz fizycy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) stworzyli zegar, który może spóźnić się lub przyspieszyć o 1 sekundę raz na... 14 miliardów lat. O tyle pomyliłby się, gdyby istniał od początku wszechświata. Zegar jest tak stabilny, że odchylenie pomiędzy poszczególnymi pomiarami odcinków czasu może wynieść 0,000000000000000032% na dobę.
      Nowy zegar jest tak precyzyjny, że może posłużyć do wykrywania ciemnej materii, mierzenia fal grawitacyjnych oraz niezwykle precyzyjnego określania kształtu pola grawitacyjnego Ziemi.
      Okazuje się, że jeśli mamy możliwość bardzo precyzyjnego pomiaru czasu, to zyskujemy mikroskop do badania wszechświata, mówi fizyk Andrew Ludlow, szef grupy naukowej, która skonstruowała zegar.
      Pierwszy w historii zegar atomowy powstał w NIST w 1949 roku. Wykorzystywano w nim częstotliwość mikrofal emitowanych przez molekułę amoniaku. Nie był on jednak na tyle precyzyjny, by użyć go do wyznaczaniu standardowego czasu. Pierwszy precyzyjny zegar atomowy, wykorzystujący drgania atomów cezu, powstał w 1955 roku w Wielkiej Brytanii. Pierwsze cezowe zegary atomowe dzieliły sekundę na ponad 9 miliardów odcinków.
      Urządzenie skonstruowane właśnie w NIST to zegar z siecią optyczną, który korzysta z atomów iterbu i dzieli sekundę na... 500 bilionów równych fragmentów. Cez pozwala na zbudowanie wspaniałego zegara atomowego, ale dotarliśmy do fizycznych granic tego pierwiastka. Iterb może podzielić czas na znacznie mniejsze odcinki, zwiększając tym samym precyzję pomiaru, wyjaśnia Ludlow.
      Zegary z siecią optyczną istnieją od około 15 lat i wciąż znajdują się we wczesnej fazie rozwoju. Naukowcy wciąż je dostrajają, zwiększając precyzję.
      W najnowszym zegarze największe postępy uczyniono dzięki zastosowaniu osłony cieplnej opracowanej kilka lat temu przez Ludlowa. Chroni ona atomy iterbu przed temperaturą i polem elektrycznym, które mogą zaburzać ich naturalne drgania. Chcemy być pewni, że gdy mierzymy drgania atomu, to dokonujemy pomiaru tego, co dała nam Matka Natura, co nie jest zaburzane przez wpływy zewnętrzne, dodaje Ludlow.
      Dzięki niezwykłej precyzji drgań zegar oparty na atomie iterbu może wykrywać zmiany w polu grawitacyjnym planety. Jak wiemy z ogólnej teorii względności, czas płynie różnie w zależności od tego, w którym miejscu pola grawitacyjnego się znajdujemy. Na szczycie góry, z dala od jądra Ziemi, płynie on nieco szybciej, niż u jej podnóża.
      Większość zegarów nie jest wystarczająco precyzyjna, by zmierzyć tak niewielką różnicę. A jest ona naprawdę minimalna. Jeśli umieścimy jeden wystarczająco precyzyjny zegar u podnóża góry, a drugi na jej szczycie i oba zegary będzie dzieliło 1000 metrów w pionie, to po 10 latach różnica we wskazanym czasie wyniesie 31/1000000 sekundy.
      Nowy zegar jest tak precyzyjny, że zarejestrowałby różnicę czasu związaną ze zmianą wysokości o... 1 centymetr. Przy tak olbrzymiej precyzji można pokusić się o użycie zegara do wykrywania ciemnej materii i fal grawitacyjnych.
      Mimo tego, że zegar jest niezwykle precyzyjny, jego konstruktorzy nie powiedzieli ostatniego słowa. Mamy już kilka pomysłów, jak można pewne rzeczy przebudować, by uzyskać jeszcze większą precyzję, mówi Ludlow.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...