Optyczne zegary kwantowe coraz mniejsze

Zegary kwantowe lub atomowe coraz częściej postrzegane są jako niezbędne w obszarach wymagających wielkiej precyzji, jak komunikacja internetowa, handel akcjami lub systemy nawigacji, zarówno zwykłe jak i te w które będą wyposażone pojazdy autonomiczne. W nauce precyzja tych zegarów pozwala na prowadzenie badań wychodzących poza standardowe modele fizyki, które być może pozwolą nam kiedyś zrozumieć najbardziej tajemnicze aspekty wszechświata, takie jak ciemna energia i ciemna materia. Pomiary przy użyciu zegarów atomowych pomogą też udowodnić czy tak zwane „stałe fizyczne” są rzeczywiście „stałe” czy też zmieniają się jakoś w czasie. Zespół z Birmingham skupia się na najbardziej precyzyjnej wersji tego urządzenia, zwanej optycznym zegarem atomowym.

Zegar kwantowy działa na zasadzie pomiaru laserowego oscylacji kwantowych w atomach, czyli mierzy czas przejścia elektronów między powłokami. Na podstawie ich częstotliwości można zmierzyć czas z wielką dokładnością. Szacuje się, że optyczne zegary kwantowe mogą być nawet 10 000 razy dokładniejsze od swoich powszechnie używanych już kuzynów.

Główny badacz zespołu fizyków pracujących nad miniaturyzacją ultradokładnych zegarów optycznych, doktor Yogeshwar Kale powiedział:

Stabilność i precyzja zegarów optycznych czyni je kluczowymi dla wielu przyszłych sieci informacyjnych i komunikacyjnych. Naziemne sieci nawigacyjne, w których wszystkie takie zegary są połączone światłowodem i zaczynają ze sobą rozmawiać zmniejszą naszą zależność od systemów GPS, które czasami mogą zawieść. Te przenośne zegary optyczne nie tylko pomogą ulepszyć pomiary geodezyjne – podstawowe właściwości kształtu Ziemi i zmian grawitacji – ale będą również służyć jako prekursory do monitorowania i identyfikowania sygnałów geodynamicznych, takich jak trzęsienia ziemi i wulkany na wczesnych etapach.

Dotychczas system optycznego zegara kwantowego z całym oporządzeniem zajmował przestrzeń około 1500 litrów i mógł być transportowany w przyczepie lub furgonetce. Do tego dochodziła jego dosyć duża wrażliwość na drgania i ciepło, bo pomiary mogą być dokonywane jedynie na atomach, których temperatura jest zbliżona do zera absolutnego. To czyniło transport bardzo uciążliwym.

Zespół z Birmingham opracował rozwiązanie pozwalające zmieścić całe urządzenie w „pudełku” o pojemności około 120 litrów i wadze mniejszej niż 75 kg. Technologia ta ma według ekspertów z DSTL kluczowe znaczenie dla przyszłych możliwości brytyjskiego Ministerstwa Obrony.

Największym wyzwaniem był proces miniaturyzacji infrastruktury minimalizującej zewnętrzny wpływ na miniaturową komorę o wysokiej próżni w której znajdują się schłodzone atomy. To właśnie ich oscylacja stanowi źródło danych dotyczących upływu czasu. Dzięki nowatorskim rozwiązaniom komora może być przetransportowana na odległość nawet 200 km bez większych trudności i przygotowana do działania przez zaledwie jednego technika w ciągu niespełna 90 minut. Podczas testów system wykazał się też dużą odpornością na zmiany temperatury, która zmieniła się podczas transportu o 8 stopni Celsjusza.

Naukowcy nie mogą doczekać się by zobaczyć jak ich system jest wykorzystywany w praktyce poza środowiskiem laboratoryjnym.

Źródło: sciencedaily.com