量子逻辑时钟 - 也许是因为如果你站在凳子上显示你的年龄更快而闻名 - 已经回到了世界实验原子钟的领先性能梯队。

美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家过去八年来一直在悄悄升级他们的量子逻辑时钟设计,主要是为了减少单个铝离子(带电原子)的不必要运动的误差,提供时钟“滴答声” “。

如物理评论快报中所述,量子逻辑时钟的系统不确定性(时钟代表离子的自然振动或频率的接近程度)为9.5×10 -19,是全球任何时钟中最好的。这意味着逻辑时钟现在既不会在330亿年中获得也不会损失一秒钟,这大约是宇宙估计年龄的2.5倍。

在这个指标中,现在使用激光束晶格中的中性原子,镱晶格时钟和锶晶格时钟,它超过了NIST时钟。

“对我而言,逻辑时钟的表现并不令人惊讶,”项目负责人David Leibrandt说道。“离子钟自然更好地与环境隔离 - 这是原子钟不准确的根源 - 而不是晶格时钟。在这一点上区分精度和稳定性非常重要。人们期望晶格时钟应该在我们最新的量子逻辑时钟是精密但不稳定的全球领导者。“

对于1秒测量,逻辑时钟的稳定性(测量时间需要多长时间)为1.2×10 -15,这接近单个离子时钟所达到的最佳值,但比两个NIST晶格时钟差10倍。

量子逻辑时钟得到了它的绰号,因为它借鉴了实验量子计算的逻辑决策技术。铝是一种非常稳定的时钟滴答源,每秒钟在两个能量级之间振动超过一亿亿次,但其特性不易被激光器操纵或检测到。因此,使用合作伙伴镁离子的逻辑操作用于冷却铝并发出信号。

早在2010年,NIST的量子逻辑时钟具有任何实验原子钟的最佳性能。时钟也引起了对爱因斯坦相对论的“时间膨胀”方面的2010年示范的关注:时间在较高海拔时间越快,但在移动速度越快时越慢。

从那时起,NIST的格子钟在性能上一直在不断超越对方,给人的印象就是能够确定一个单一的赢家。实际上,所有时钟都可用于研究目的,并且可能是未来时间标准或其他应用的竞争者。

第二个国际单位(国际单位制或国际单位制)的国际定义是以1967年以来的铯原子为基础的,所以铯仍然是官方计时的“统治者”。逻辑时钟是国际科学界选择未来时间标准的有力竞争者之一。NIST科学家正在研究几种不同类型的实验时钟,每种实验时钟都基于不同的原子,并提供自己的优势。所有这些实验时钟都基于光学频率,这些频率高于当今基于铯的计时标准中使用的微波频率。

几项技术进步使逻辑时钟的性能得到改善,包括一种新的离子阱设计,可减少热诱导离子运动,使其能够在理想的基态或最低运动能级附近工作。此外,使用较低的频率来操作离子阱,减少由用于捕获离子的电场引起的不需要的离子运动。最后,改进的量子控制降低了由于离子运动引起的频移测量的不确定性。

时钟的精度是通过测量和累加由九种不同效果引起的频移来确定的。通过与NIST的镱晶格时钟进行比较来测量稳定性。

计划进一步改进陷阱设计和其他功能,以进一步提高性能。NIST的三个实验时钟已经可以进行比较,以改进对自然界某些基本“常数”可能发生变化的测量,这一系列调查对宇宙学和物理定律的测试具有重要意义,如爱因斯坦的特殊理论和广义相对论。