ساخت ساعت کوانتومی سه‌بعدی جدید با ثبت رکورد جدید در دقت زمانی

ساعت کوانتومی جدید توسط جیلا (JILA) ساخته شده است. جیلا به گروه همکاری بین دانشگاه کلرادو و موسسه ملی استاندارد و فناوری اطلاق می‌شود. آنها همچنین دارنده‌ی رکورد قبلی جهان برای دقیق‌ترین ساعت ساخته‌شده در سال ۲۰۱۵ نیز بودند.

 آن ساعت دارای ۲ خطا در هر ۱۰ به‌توان ۱۸ واحد بود و می‌توانست زمان را بدون از دست دادن یا اضافه کردن حتی یک ثانیه، برای ۱۵ میلیارد سال (زمانی طولانی‌تر از عمر جهان) حفظ کند. جون یی، فیزیکدان در این مورد می‌گوید:

ما در حال وارد شدن به یک زمان واقعا هیجان‌انگیز هستیم؛ زمانی که می‌توانیم حالت کوانتومی را برای یک هدف اندازه‌گیری خاص مورد مهندسی قرار دهیم.

 ساعت اتمی سال ۲۰۱۵ بر اساس یک شبکه‌ی یک بعدی از اتم‌های استرانتیوم ساخته شده بود که توسط پرتوهای لیزر در جای خود نگه داشته می‌شدند.

 ساعت جدید این شبکه را به یک مکعب کوچک سه‌بعدی گسترش داده و گاز را نیز تا هزار برابر متراکم‌تر از مقدار موجود در ساعت‌های اتمی قبلی کرده است.

 ساعت‌های اتمی براساس رفتار الکترون‌ها در اطراف اتم‌های این گاز در معرض تابش کار می‌کنند. آنها بین دو حالت انرژی با دقت بسیار دقیق به جلو و عقب نوسان می‌کنند.

 فرکانس این روند انتقال الکترون اساس زمانبندی اتمی ساعت را شکل می‌دهد. در ساعت‌های اتمی یک‌بعدی، هر اتم به‌طور مستقل مورد سنجش قرار می‌گیرد؛ زیرا ارتباطات آنها با همدیگر می‌تواند باعث بروز اشتباه در محاسبات شود.

 با این حال، در یک مکعب، گاز تبدیل به مجموعه‌ای از اتم‌های در تعامل با یکدیگر که در یک الگوی مشخص حرکت می‌کنند، می‌شود؛ تا بدین ترتیب از برخورد یکدیگر اجتناب کنند. این سیستم را به‌نام «سیستم کوانتومی با اجرام پرشمار» می‌شناسند و با به حداقل رساندن برخورد منجر به بیشتر شدن دقت می‌شود.

 البته گاز نیز دستخوش تغییر می‌شود. گروه پژوهشی برای اولین بار، در یک ساعت اتمی، از چیزی موسوم به گاز فرمی یا گاز کوانتومی استفاده کردند؛ این در واقع فازی از ماده‌ قلمداد می‌شود که دارای تعداد زیادی فرمیون‌ است.‌

 گاز فرمی بر خلاف گازهای حرارتی که به‌طور سنتی در ساعت‌های اتمی استفاده می‌شود، برای اولین بار اجازه می‌دهد تا تمام خواص اتم‌ها محدود شوند. یعنی اینکه ساعت جدید قادر به گسترش عملکرد خود به مقیاس‌های بزرگ‌تر می‌شود.

جون یی می‌گوید:

 مهم‌ترین پتانسیل ساعت سه‌بعدی مبتنی بر گاز کوانتومی، توانایی افزایش تعداد اتم‌ها است که منجر به افزایش چشمگیر ثبات آن هم خواهد شد. همچنین ما می‌توانیم شرایط ایده‌آل برای راه‌اندازی ساعت را با زمان خود به دست آوریم؛ حالتی که نشان می‌دهد یک سری از تیک‌های ساعت، برای چه مدتی ‌ می‌تواند پایدار باقی بماند. توانایی افزایش تعداد اتم و زمان انسجام این نسل جدید از ساعت‌ها به‌طور محسوسی متفاوت با نسل قبلی است.

 ساعت جدید می‌تواند در حدود ۲۰ بار سریع‌تر به دقت مشابه با ساعت‌های اتمی قبلی برسد و قادر باشد که تیک‌های پایدار خود را برای ۱۰ ثانیه با شمار ۱۰ هزار اتم استرانسیم با تراکم بیش از ۱۰ تریلیون اتم در هر سانتی‌متر مکعب حفظ کند.

 یی باور دارد که چنین ارقامی، بهبود قابل توجهی را نسبت به هر همه‌ی موارد پیشین نشان می‌دهد.

 داشتن زمان دقیق و دقت در آن تنها برای کنترل امور روزمره مهم نیست؛ این امر برای علم نیز حیاتی است. یک ساعت اتمی فوق‌العاده دقیق قادر به کمک در فرایندهای زمان‌سنجی و ناوبری برای اهداف پژوهشی است. یک ساعت دقیق همچنین می‌تواند به تعریف و اصلاح اندازه‌گیری‌های زمانی هم کمک کند.

 باید اشاره کنیم که ساعت‌های اتمی یک ابزار شگفت‌انگیز در جستجوی ماده‌ی تاریک هم محسوب می‌شوند.

 وقتی که ساعت‌های اتمی با ماده‌ی تاریک ارتباط برقرار می‌کنند، این امکان وجود دارد که سرعت بگیرند یا از سرعتشان کاسته شود؛ البته با کسرهای بسیار کمتر از یک ثانیه. ساعت‌های اتمی همزمان می‌توانند این اختلافات را به گونه‌ای مشخص کنند که ساعت‌های دیگر از تشخیص آن ناتوانند.

 توماس اوبریان، استاد یی در این مورد اشاره می‌کند:

 این ساعت جدید استرانسیمی با استفاده از یک گاز کوانتومی، به‌عنوان یک موفقیت اولیه و حیرت‌انگیز در کاربرد عملی آن در انقلاب کوانتومی جدید محسوب می‌شود؛ چیزی که گاهی اوقات از آن به‌عنوان کوانتوم ۲ یاد می‌کنند.

 این رویکرد برای NIST و JILA به‌منظور استفاده از همبستگی کوانتومی برای طیف وسیعی از اندازه گیری‌ها و فناوری‌های جدید، نویدبخش است؛ مواردی که فراتر از صرف مسئله‌ی ثبت زمان هستند.

 دستاورد تحقیقات تیم پژوهشی در ژورنال Science منتشر شده است.