L'orologio logico quantistico, forse più noto per mostrarti invecchiare più velocemente se stai in piedi su uno sgabello, è tornato ai massimi livelli di prestazioni degli orologi atomici sperimentali del mondo.

I fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno silenziosamente aggiornato il loro design dell'orologio logico quantistico negli ultimi otto anni, principalmente per ridurre gli errori dovuti al movimento indesiderato del singolo ione di alluminio (atomo caricato elettricamente) che fornisce il "ticchettio" dell'orologio.

Come descritto in Lettere di revisione fisica , l'incertezza sistematica dell'orologio logico quantistico (quanto l'orologio rappresenta le vibrazioni naturali dello ione, o frequenza) è 9,5×10?19, il meglio di qualsiasi orologio in tutto il mondo. Ciò significa che l'orologio logico ora non guadagnerebbe né perderebbe un secondo in 33 miliardi di anni, che è circa due volte e mezzo l'età stimata dell'universo.

In questa metrica, ora supera entrambi gli orologi NIST utilizzando atomi neutri intrappolati in reticoli di raggi laser, l'orologio a reticolo di itterbio e l'orologio a reticolo di stronzio.

"Le prestazioni dell'orologio logico non mi sorprendono, "Il capo del progetto David Leibrandt ha dichiarato. "Gli orologi ionici sono naturalmente meglio isolati dall'ambiente, che è la fonte di imprecisione per gli orologi atomici, rispetto agli orologi reticolari. È importante distinguere tra precisione e stabilità su questo punto. Le persone si aspettano che gli orologi a reticolo debbano offrire le migliori prestazioni in termini di stabilità, e attualmente lo fanno. Il nostro nuovissimo orologio logico quantistico è il leader mondiale in termini di precisione ma non di stabilità".

La stabilità dell'orologio logico (quanto tempo ci vuole per misurare il tempo) è 1.2×10 ^-15 per una misurazione di 1 secondo, che è vicino al meglio ottenuto da un singolo clock a ioni, ma circa 10 volte peggiore di entrambi i clock reticolari NIST.

L'orologio logico quantistico ha preso il suo soprannome perché prende in prestito tecniche decisionali logiche dall'informatica quantistica sperimentale. L'alluminio è una fonte eccezionalmente stabile di battiti dell'orologio, vibrando tra due livelli di energia oltre un milione di miliardi di volte al secondo, ma le sue proprietà non sono facilmente manipolabili o rilevabili con i laser. Così, le operazioni logiche con uno ione magnesio partner vengono utilizzate per raffreddare l'alluminio e per segnalare i suoi tick.

Già nel 2010, L'orologio logico quantistico del NIST ha avuto le migliori prestazioni di qualsiasi orologio atomico sperimentale. L'orologio ha anche attirato l'attenzione per le dimostrazioni del 2010 degli aspetti della "dilatazione del tempo" delle teorie della relatività di Einstein:che il tempo passa più velocemente a quote più elevate ma più lentamente quando ti muovi più velocemente.

Da allora, Gli orologi reticolari del NIST si sono continuamente superati a vicenda in termini di prestazioni, dando l'impressione di una corsa per identificare un unico vincitore. Infatti, tutti gli orologi sono utili per scopi di ricerca e sono possibili contendenti per standard temporali futuri o altre applicazioni.

La definizione internazionale del secondo (nel Sistema internazionale di unità, o SI) si basa sull'atomo di cesio dal 1967, quindi il cesio rimane il "governatore" per il cronometraggio ufficiale. L'orologio logico è uno dei contendenti per uno standard temporale futuro da selezionare dalla comunità scientifica internazionale. Gli scienziati del NIST stanno lavorando su diversi tipi di orologi sperimentali, ciascuno basato su atomi diversi e che offre i propri vantaggi. Tutti questi orologi sperimentali sono basati su frequenze ottiche, che sono superiori alle frequenze delle microonde utilizzate negli standard di cronometraggio odierni basati sul cesio.

Diversi progressi tecnici hanno permesso di migliorare le prestazioni dell'orologio logico, compreso un nuovo design della trappola ionica che riduce il movimento ionico indotto dal calore, consentendo il funzionamento vicino allo stato fondamentale desiderabile, o il più basso livello di energia del movimento. Inoltre, una frequenza più bassa è stata utilizzata per azionare la trappola ionica, riducendo il movimento degli ioni indesiderato causato dal campo elettrico utilizzato per intrappolare gli ioni. Finalmente, il miglioramento del controllo quantistico ha ridotto l'incertezza delle misurazioni degli spostamenti di frequenza dovuti al movimento degli ioni.

La precisione dell'orologio è stata determinata misurando e sommando gli spostamenti di frequenza causati da nove diversi effetti. La stabilità è stata misurata rispetto all'orologio a reticolo di itterbio del NIST.

Sono previsti ulteriori miglioramenti nella progettazione delle trappole e in altre funzionalità per migliorare ulteriormente le prestazioni. Già, I tre orologi sperimentali del NIST possono essere confrontati per migliorare le misurazioni di possibili cambiamenti in alcune delle "costanti" fondamentali della natura, una linea di indagine che ha importanti implicazioni per la cosmologia e le prove delle leggi della fisica come le teorie di Einstein della relatività speciale e generale.