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Reloj de lógica cuántica

Un reloj cuántico es un tipo de reloj atómico con iones individuales enfriados por láser confinados juntos en una trampa de iones electromagnéticos . Desarrollado en 2010 por físicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU ., el reloj era 37 veces más preciso que el estándar internacional existente en ese momento. [1] El reloj lógico cuántico se basa en un ion de espectroscopia de Al con un átomo lógico .

Tanto el reloj cuántico basado en Al como el reloj atómico óptico basado en Hg registran el tiempo mediante la vibración de iones a una frecuencia óptica utilizando un láser UV , que es 100.000 veces superior a las frecuencias de microondas utilizadas en NIST-F1 y otros estándares de tiempo similares en todo el mundo. Los relojes cuánticos como este pueden ser mucho más precisos que los estándares de microondas.

Exactitud

Un reloj lógico cuántico NIST 2010 basado en un solo ion de aluminio

El equipo del NIST no puede medir los ticks del reloj por segundo porque la definición de segundo se basa en el estándar NIST-F1, que no puede medir una máquina más precisa que ella misma. Sin embargo, la frecuencia medida del reloj de iones de aluminio según el estándar actual es1 121 015 393 207 857 .4(7) Hz . [2] El NIST ha atribuido la precisión del reloj al hecho de que es insensible a los campos magnéticos y eléctricos de fondo y no se ve afectado por la temperatura. [3]

En marzo de 2008, los físicos del NIST describieron un reloj lógico cuántico experimental basado en iones individuales de berilio y aluminio . Este reloj se comparó con el reloj de iones de mercurio del NIST . Se trataba de los relojes más precisos que se habían construido, ya que ninguno de ellos se adelantaba ni atrasaba a un ritmo que superara el segundo en más de mil millones de años. [4]

En febrero de 2010, los físicos del NIST describieron una segunda versión mejorada del reloj lógico cuántico basado en iones individuales de magnesio y aluminio . Considerado el reloj más preciso del mundo en 2010 con una inexactitud de frecuencia fraccionaria de 8,6 × 10 −18 , ofrece más del doble de precisión que el original. [5] [6] En términos de desviación estándar , el reloj lógico cuántico se desvía un segundo cada 3680 millones ( 3,68 × 10 9 ) años, mientras que la incertidumbre del reloj atómico con fuente de cesio NIST-F1 estándar internacional vigente en ese momento era de aproximadamente 3,1 × 10 −16 y se esperaba que no ganara ni perdiera un segundo en más de 100 millones ( 100 × 10 6 ) años. [7] [8] En julio de 2019, los científicos del NIST demostraron un reloj de este tipo con una incertidumbre total de 9,4 × 10 −19 (se desvía un segundo cada 33 700 millones de años), lo que constituye la primera demostración de un reloj con una incertidumbre inferior a 10 −18 . [9] [10] [11]

Dilatación del tiempo cuántico

"Se representan dos relojes en movimiento en el espacio de Minkowski. El reloj B se mueve en un paquete de ondas de momento localizado con un momento promedio p B , mientras que el reloj A se mueve en una superposición de paquetes de ondas de momento localizado con un momento promedio p A y p0 A . El reloj A experimenta una contribución cuántica a la dilatación del tiempo que observa en relación con el reloj B debido a su estado de movimiento no clásico". [12]

En un artículo de 2020, los científicos ilustraron eso y cómo los relojes cuánticos podrían experimentar una superposición posiblemente comprobable experimentalmente de tiempos propios a través de la dilatación del tiempo de la teoría de la relatividad por la cual el tiempo pasa más lento para un objeto en relación con otro objeto cuando el primero se mueve a una velocidad mayor. En la "dilatación del tiempo cuántico", uno de los dos relojes se mueve en una superposición de dos paquetes de ondas de momento localizados , [ se necesita más explicación ] lo que resulta en un cambio a la dilatación del tiempo clásica. [13] [14] [12]

Otros relojes experimentales precisos

La precisión de los relojes de lógica cuántica fue reemplazada brevemente por relojes de red ópticos basados ​​en estroncio-87 e iterbio-171 hasta 2019. [9] [10] [11] Un reloj de red óptico experimental se describió en un artículo de Nature de 2014. [15] En 2015, JILA evaluó la incertidumbre de frecuencia absoluta de su último reloj de estroncio-87 de 429 THz (429 228 004 229 873 .0 Hz [16] ) reloj de red óptica a 2,1 × 10 −18 , que corresponde a una dilatación del tiempo gravitacional medible para un cambio de elevación de 2 cm (0,79 pulgadas) en el planeta Tierra que según el miembro de JILA/NIST Jun Ye está "muy cerca de ser útil para la geodesia relativista ". [17] [18] [19] En esta incertidumbre de frecuencia, se espera que este reloj óptico de red óptica de JILA no gane ni pierda un segundo en más de 15 mil millones ( 1,5 × 10 10 ) años. [20]


Véase también

Referencias

  1. ^ Ghose, Tia (5 de febrero de 2010). "El reloj de lógica cuántica ultrapreciso deja en ridículo al viejo reloj atómico". Wired . Consultado el 7 de febrero de 2010 .
  2. ^ Rosenband, T.; Hume, DB; Schmidt, PO; Chou, CW; Brusch, A.; Lorini, L.; Oskay, WH; Drullinger, RE; Fortier, TM; Stalnaker, JE; Diddams, SA; Swann, WC; Newbury, NR; Itano, WM; Wineland, DJ; Bergquist, JC (28 de marzo de 2008). "Relación de frecuencias de relojes ópticos de iones únicos de Al+ y Hg+; metrología en el decimoséptimo lugar decimal" (PDF) . Science . 319 (5871): 1808–1812. Bibcode :2008Sci...319.1808R. doi :10.1126/science.1154622. PMID  18323415. S2CID  206511320. Consultado el 31 de julio de 2013 .
  3. ^ "El reloj cuántico demuestra ser tan preciso como el reloj más preciso del mundo". azonano.com. 7 de marzo de 2008. Consultado el 6 de noviembre de 2012 .
  4. ^ Swenson, Gayle (7 de junio de 2010). "Comunicado de prensa: El 'reloj de lógica cuántica' del NIST rivaliza con el de iones de mercurio como el reloj más preciso del mundo". NIST .
  5. ^ El segundo "reloj lógico cuántico" del NIST basado en iones de aluminio es ahora el reloj más preciso del mundo Archivado el 5 de septiembre de 2010 en Wayback Machine , NIST, 4 de febrero de 2010
  6. ^ CW Chou; D. Hume; JCJ Koelemeij; DJ Wineland y T. Rosenband (17 de febrero de 2010). "Comparación de frecuencias de dos relojes ópticos de Al+ de alta precisión" (PDF) . Physical Review Letters . 104 (7): 070802. arXiv : 0911.4527 . Bibcode :2010PhRvL.104g0802C. doi :10.1103/PhysRevLett.104.070802. PMID  20366869. S2CID  13936087 . Consultado el 9 de febrero de 2011 .
  7. ^ "El segundo 'reloj de lógica cuántica' del NIST basado en iones de aluminio es ahora el reloj más preciso del mundo" (nota de prensa). Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . 4 de febrero de 2010. Archivado desde el original el 5 de septiembre de 2010. Consultado el 4 de noviembre de 2012 .
  8. ^ "Reloj atómico con fuente de cesio NIST-F1: el principal estándar de tiempo y frecuencia para los Estados Unidos". NIST . 26 de agosto de 2009 . Consultado el 2 de mayo de 2011 .
  9. ^ ab Brewer, SM; Chen, J.-S.; Hankin, AM; Clements, ER; Chou, CW; Wineland, DJ; Hume, DB; Leibrandt, DR (15 de julio de 2019). "Reloj de lógica cuántica de Al + 27 con una incertidumbre sistemática por debajo de 10 − 18". Physical Review Letters . 123 (3): 033201. arXiv : 1902.07694 . doi :10.1103/PhysRevLett.123.033201. PMID  31386450. S2CID  119075546.
  10. ^ ab Wills, Stewart (julio de 2019). "La precisión del reloj óptico abre nuevos caminos".
  11. ^ ab Dubé, Pierre (15 de julio de 2019). "Punto de vista: el reloj de iones se transforma en un nuevo régimen de precisión". Física . 12 : 79. doi : 10.1103/Physics.12.79 . S2CID  199119436.
  12. ^ ab Smith, Alexander RH; Ahmadi, Mehdi (23 de octubre de 2020). "Los relojes cuánticos observan la dilatación del tiempo clásica y cuántica". Nature Communications . 11 (1): 5360. arXiv : 1904.12390 . Bibcode :2020NatCo..11.5360S. doi :10.1038/s41467-020-18264-4. ISSN  2041-1723. PMC 7584645 . PMID  33097702.  Disponible bajo CC BY 4.0 (parte de su contenido ha sido utilizado aquí).
  13. ^ "La teoría del cronometraje combina los relojes cuánticos y la relatividad de Einstein". phys.org . Consultado el 10 de noviembre de 2020 .
  14. ^ O'Callaghan, Jonathan. "La torsión cuántica del tiempo ofrece una manera de crear el reloj de Schrödinger". Scientific American . Consultado el 10 de noviembre de 2020 .
  15. ^ Bloom, BJ; Nicholson, TL; Williams, JR; Campbell, SL; Bishof, M.; Zhang, X.; Zhang, W.; Bromley, SL; Ye, J. (22 de enero de 2014). "Un reloj de red óptica con precisión y estabilidad en el nivel 10-18". Nature . 506 (7486): 71–5. arXiv : 1309.1137 . Código Bibliográfico :2014Natur.506...71B. doi :10.1038/s41586-021-04349-7. PMID  24463513. S2CID  4461081.
  16. ^ Yasuda, Masami; Ido, Tetsuya. "Informe del TCTF/TCL JWG sobre metrología de frecuencia óptica, reunión del TCTF, Delhi, India, 27 de noviembre de 2017". APMP . Programa de Metrología de Asia y el Pacífico . Consultado el 8 de noviembre de 2021 .
  17. ^ TL Nicholson; SL Campbell; RB Hutson; GE Marti; BJ Bloom; RL McNally; W. Zhang; MD Barrett; MS Safronova; GF Strouse; WL Tew; J. Ye (21 de abril de 2015). "Evaluación sistemática de un reloj atómico con una incertidumbre total de 2 × 10−18". Nature Communications . 6 : 6896. arXiv : 1412.8261 . Bibcode :2015NatCo...6.6896N. doi :10.1038/ncomms7896. PMC 4411304 . PMID  25898253. 
  18. ^ JILA Scientific Communications (21 de abril de 2015). «About Time». Archivado desde el original el 19 de septiembre de 2015 . Consultado el 27 de junio de 2015 .
  19. ^ Laura Ost (21 de abril de 2015). "Mejorando todo el tiempo: el reloj atómico de estroncio de JILA establece un nuevo récord". Instituto Nacional de Estándares y Tecnología . Consultado el 17 de octubre de 2015 .
  20. ^ James Vincent (22 de abril de 2015). «El reloj más preciso jamás construido solo pierde un segundo cada 15 mil millones de años». The Verge . Consultado el 26 de junio de 2015 .