Credito:CC0 di pubblico dominio
Gli orologi quantistici si stanno riducendo, grazie alle nuove tecnologie sviluppate presso l'University of Birmingham, guidato da Quantum Technology Hub Sensors and Timing nel Regno Unito
Lavorando in collaborazione con e in parte finanziato dal Defense Science and Technology Laboratory (Dstl) del Regno Unito, un team di fisici quantistici ha escogitato nuovi approcci che non solo riducono le dimensioni del loro orologio, ma lo rendono anche sufficientemente robusto da essere trasportato fuori dal laboratorio e impiegati nel 'mondo reale'.
Gli orologi quantistici o atomici sono ampiamente considerati essenziali per approcci sempre più precisi ad aree come le comunicazioni online in tutto il mondo, i sistemi di navigazione o il commercio globale di azioni, dove frazioni di secondo potrebbero fare un'enorme differenza economica. Gli orologi atomici con frequenze di clock ottiche possono essere 10.000 volte più accurati rispetto alle loro controparti a microonde, aprendo la possibilità di ridefinire l'unità di misura standard (SI).
Orologi ottici ancora più avanzati potrebbero un giorno fare una differenza significativa sia nella vita di tutti i giorni che nella scienza fondamentale. Consentendo periodi più lunghi tra la necessità di risincronizzare rispetto ad altri tipi di orologio, offrono una maggiore resilienza per l'infrastruttura di cronometraggio nazionale e sbloccano future applicazioni di posizionamento e navigazione per i veicoli autonomi. L'impareggiabile precisione di questi orologi può anche aiutarci a vedere oltre i modelli fisici standard e comprendere alcuni degli aspetti più misteriosi dell'universo, tra cui la materia oscura e l'energia oscura. Tali orologi aiuteranno anche a rispondere a questioni di fisica fondamentale, ad esempio se le costanti fondamentali sono davvero "costanti" o se variano nel tempo
Il ricercatore capo, il dottor Yogeshwar Kale, afferma che "la stabilità e la precisione degli orologi ottici li rendono cruciali per molte future reti di informazioni e comunicazioni. Una volta che abbiamo un sistema pronto per l'uso al di fuori del laboratorio, possiamo utilizzarli, ad esempio , reti di navigazione a terra in cui tutti questi orologi sono collegati tramite fibra ottica e hanno iniziato a comunicare tra loro. Tali reti ridurranno la nostra dipendenza dai sistemi GPS, che a volte possono non funzionare."
"Questi orologi ottici trasportabili non solo aiuteranno a migliorare le misurazioni geodetiche, le proprietà fondamentali della forma della Terra e delle variazioni di gravità, ma serviranno anche come precursori per monitorare e identificare segnali geodinamici come terremoti e vulcani nelle fasi iniziali."
Sebbene tali orologi quantistici stiano avanzando rapidamente, le principali barriere alla loro implementazione sono le loro dimensioni (i modelli attuali arrivano in un furgone o in un rimorchio per auto e sono circa 1500 litri) e la loro sensibilità alle condizioni ambientali che limitano il loro trasporto tra luoghi diversi.
Il team di Birmingham, con sede nel Regno Unito Quantum Technology Hub Sensors and Timing, ha escogitato una soluzione che affronta entrambe queste sfide in un pacchetto che è una "scatola" di circa 120 litri che pesa meno di 75 kg. Il lavoro è pubblicato su Quantum Science and Technology.
Un portavoce di Dstl ha aggiunto che "Dstl vede la tecnologia dell'orologio ottico come un fattore chiave per le capacità future del Ministero della Difesa. Questi tipi di orologi hanno il potenziale per plasmare il futuro fornendo alle infrastrutture nazionali una maggiore resilienza e cambiando il modo in cui le comunicazioni e le reti di sensori sono progettati. Con il supporto di Dstl, l'Università di Birmingham ha compiuto progressi significativi nella miniaturizzazione di molti dei sottosistemi di un orologio a reticolo ottico e, così facendo, ha superato molte sfide ingegneristiche significative. Non vediamo l'ora di vedere quali ulteriori progressi possono fare in questo campo emozionante e in rapido movimento."
Gli orologi funzionano utilizzando i laser sia per produrre che per misurare le oscillazioni quantistiche negli atomi. Queste oscillazioni possono essere misurate in modo molto accurato e, dalla frequenza, è possibile misurare anche il tempo. Una sfida è ridurre al minimo le influenze esterne sulle misurazioni, come le vibrazioni meccaniche e le interferenze elettromagnetiche. Per fare ciò, le misurazioni devono avvenire nel vuoto e con una minima interferenza esterna.
Al centro del nuovo design c'è una camera ad altissimo vuoto, più piccola di qualsiasi altra ancora utilizzata nel campo del cronometraggio quantistico. Questa camera può essere utilizzata per intrappolare gli atomi e quindi raffreddarli molto vicino al valore "zero assoluto" in modo che raggiungano uno stato in cui possono essere utilizzati per sensori quantistici di precisione.
Il team ha dimostrato di poter catturare quasi 160mila atomi ultrafreddi all'interno della camera in meno di un secondo. Inoltre, hanno dimostrato di poter trasportare il sistema per oltre 200 km, prima di configurarlo per essere pronto per effettuare misurazioni in meno di 90 minuti. Il sistema è stato in grado di sopravvivere a un aumento della temperatura di 8 gradi sopra la temperatura ambiente durante il viaggio.
Il dott. Kale, ha aggiunto che sono stati "in grado di mostrare un sistema robusto e resiliente, che può essere trasportato e impostato rapidamente da un singolo tecnico qualificato. Questo ci porta un passo avanti nel vedere questi strumenti quantistici altamente precisi utilizzati in impostazioni impegnative al di fuori di un ambiente di laboratorio." + Esplora ulteriormente
