Quantenuhr - Quantum clock

Ein Quantentakt ist eine Art von Atomuhr mit Laser gekühlt einzelnen Ionen beschränkt zusammen in einer elektromagnetischen Ionenfalle . Im Jahr 2010 von Physikern als US National Institute of Standards and Technology entwickelt , war die Uhr 37-mal genauer als der damalige internationale Standard. Die Quantenlogikuhr basiert auf einem Aluminiumspektroskopie-Ion mit einem Logikatom.

Sowohl die Quantenuhr auf Aluminiumbasis als auch die optische Atomuhr auf Quecksilberbasis verfolgen die Zeit durch die Ionenschwingung mit einer optischen Frequenz unter Verwendung eines UV-Lasers , die 100.000-mal höher ist als die Mikrowellenfrequenzen, die in NIST-F1 und anderen ähnlichen Zeitstandards verwendet werden die Welt. Quantenuhren wie diese sind in der Lage, weit genauer zu sein als Mikrowellenstandards.

Genauigkeit

Eine NIST 2010 Quantenlogikuhr basierend auf einem einzelnen Aluminiumion

Das NIST-Team ist nicht in der Lage, Taktimpulse pro Sekunde zu messen, da die Definition einer Sekunde auf dem Standard NIST-F1 basiert, der eine Maschine nicht genauer messen kann als sie selbst. Die gemessene Frequenz der Aluminiumionenuhr nach dem aktuellen Standard beträgt jedoch1 121 015 393 207 857 , 4(7) Hz . NIST hat die Genauigkeit der Uhr der Tatsache zugeschrieben, dass sie gegenüber magnetischen und elektrischen Hintergrundfeldern unempfindlich ist und nicht von der Temperatur beeinflusst wird.

Im März 2008 beschrieben Physiker des NIST eine experimentelle quantenlogische Uhr basierend auf einzelnen Ionen von Beryllium und Aluminium . Diese Uhr wurde mit der Quecksilberionenuhr von NIST verglichen . Dies waren die genauesten Uhren, die je gebaut worden waren, und weder die Uhr gewann noch Zeit mit einer Geschwindigkeit, die eine Sekunde in über einer Milliarde Jahren überschreiten würde.

Im Februar 2010 beschrieben NIST-Physiker eine zweite, verbesserte Version der Quantenlogikuhr basierend auf einzelnen Ionen von Magnesium und Aluminium . Mit einer Frequenzbruchgenauigkeit von 8,6 × 10 –18 galt sie 2010 als die genaueste Uhr der Welt und bietet mehr als die doppelte Genauigkeit des Originals. In Bezug auf die Standardabweichung weicht die Quantenlogikuhr alle 3,68 Milliarden ( 3,68 × 10 9 ) Jahre um eine Sekunde ab , während der damals aktuelle internationale Standard NIST-F1 Cäsium-Fontänen -Atomuhr-Unsicherheit etwa 3,1 × 10 –16 erwartete, um weder zu gewinnen noch eine Sekunde in mehr als 100 Millionen ( 100 × 10 6 ) Jahren verlieren . Im Juli 2019 demonstrierten NIST-Wissenschaftler eine solche Uhr mit einer Gesamtunsicherheit von 9,4 × 10 –19 (weicht alle 33,7 Milliarden Jahre um eine Sekunde ab), was die erste Demonstration einer Uhr mit einer Unsicherheit unter 10 –18 ist .

Quantenzeitdilatation

„Zwei Takte werden als Bewegen in Minkowski - Raum dargestellt. Clock B in einem örtlich begrenzten Impulswellenpaket mit mittlerem Impulse p Bewegen B , während des Takt A wird in einer Überlagerung von lokalisierten Impulswellenpaketen mit mittlerem Impulse p Bewegen A und p0 A . Clock A erfährt aufgrund seines nichtklassischen Bewegungszustands einen Quantenbeitrag zu der Zeitdilatation, die es relativ zu Uhr B beobachtet ."

In einem Papier aus dem Jahr 2020 illustrierten Wissenschaftler, dass und wie Quantenuhren eine möglicherweise experimentell prüfbare Überlagerung von Eigenzeiten durch Zeitdilatation der Relativitätstheorie erfahren könnten, um die die Zeit für ein Objekt im Verhältnis zu einem anderen Objekt langsamer vergeht, wenn sich das erstere mit einer höheren Geschwindigkeit bewegt . Bei der "Quanten-Zeitdilatation" bewegt sich eine der beiden Uhren in einer Überlagerung von zwei lokalisierten Impulswellenpaketen , was zu einem Wechsel zur klassischen Zeitdilatation führt.

Gravitationszeitdilatation im alltäglichen Labormaßstab

Im Jahr 2010 platzierte ein Experiment zwei Aluminium-Ionen-Quantenuhren nahe beieinander, wobei die zweite jedoch gegenüber der ersten 12 Zoll (30,5 cm) höher lag, was den gravitativen Zeitdilatationseffekt in alltäglichen Labormaßstäben sichtbar machte.

Genauere experimentelle Uhren

Die Genauigkeit von Quantenuhren wurde bis 2019 kurzzeitig von optischen Gitteruhren auf Basis von Strontium-87 und Ytterbium-171 abgelöst . Eine experimentelle optische Gitteruhr wurde 2014 in einem Nature Paper beschrieben. Im Jahr 2015 bewertete JILA die absolute Frequenzunsicherheit ihrer neuesten optischen Strontium-87 430 THz Gitteruhr bei 2,1 × 10 –18 , was einer messbaren Gravitationszeitdilatation für eine Höhenänderung von 2 cm (0,79 Zoll) auf dem Planeten Erde entspricht, die gemäß an JILA/NIST Fellow Jun Ye "kommt der relativistischen Geodäsie sehr nahe ". Bei dieser Frequenzunsicherheit wird erwartet, dass diese optische JILA-Gitteruhr in mehr als 15 Milliarden ( 1,5 × 10 10 ) Jahren weder eine Sekunde gewinnt noch verliert .

Siehe auch

Verweise