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Reloj lógico cuántico

Un reloj cuántico es un tipo de reloj atómico con iones individuales enfriados por láser confinados en una trampa de iones electromagnética . 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 entonces existente. [1] El reloj lógico cuántico se basa en un ion de espectroscopía de aluminio con un átomo lógico.

Tanto el reloj cuántico basado en aluminio como el reloj atómico óptico basado en mercurio rastrean el tiempo mediante la vibración de iones a una frecuencia óptica usando un láser UV , que es 100.000 veces mayor que las frecuencias de microondas utilizadas en NIST-F1 y otros estándares de tiempo similares. 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 tictac 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 . Estos eran los relojes más precisos que se habían construido, sin que ningún reloj adelantara ni atrasara el tiempo a un ritmo que excedería un 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 3,68 mil millones ( 3,68 × 10 9 ) años, mientras que la incertidumbre del entonces estándar internacional NIST-F1 del reloj atómico de fuente de cesio era de aproximadamente 3,1 × 10 − 16 se espera que no gane ni pierda 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 33,7 mil millones de años), que es la primera demostración de un reloj con una incertidumbre inferior a 10 −18 . [9] [10] [11]

Dilatación del tiempo cuántico

"Se representan dos relojes moviéndose en el espacio de Minkowski. El reloj B se mueve en un paquete de ondas de impulso localizado con un impulso promedio p B , mientras que el reloj A se mueve en una superposición de paquetes de ondas de impulso localizado con un impulso promedio p A y p0 A. 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 de tiempos adecuados posiblemente comprobable experimentalmente a través de la dilatación del tiempo de la teoría de la relatividad mediante la cual el tiempo pasa más lento para un objeto en relación con otro objeto cuando el primero se mueve a mayor velocidad. . En la "dilatación del tiempo cuántico", uno de los dos relojes se mueve en una superposición de dos paquetes de ondas de impulso localizados , [ se necesita más explicación ] , lo que resulta en un cambio en 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 óptica basados ​​​​en estroncio-87 e iterbio-171 hasta 2019. [9] [10] [11] En un artículo de Nature de 2014 se describió un reloj de red óptico experimental. [15] En 2015, JILA evaluó la incertidumbre de frecuencia absoluta de su último estroncio-87 429 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 mensurable para un cambio de elevación de 2 cm (0,79 pulgadas) en el planeta Tierra que según JILA/NIST Su compañero Jun Ye está "cerca de ser útil para la geodesia relativista ". [17] [18] [19] Con esta incertidumbre de frecuencia, se espera que este reloj óptico de celosía óptica JILA no gane ni pierda un segundo en más de 15 mil millones ( 1,5 × 10 10 ) años. [20]


Ver también

Referencias

  1. ^ Ghose, Tia (5 de febrero de 2010). "El reloj de lógica cuántica ultrapreciso avergüenza al antiguo reloj atómico". Cableado . 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 frecuencia de relojes ópticos de ión único de Al+ y Hg+; metrología en el decimoséptimo lugar decimal" (PDF) . Ciencia . 319 (5871): 1808–1812. Código Bib : 2008 Ciencia... 319.1808R. doi : 10.1126/ciencia.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 lógico cuántico' del NIST rivaliza con los 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 Al+ de alta precisión" (PDF) . Cartas de revisión física . 104 (7): 070802. arXiv : 0911.4527 . Código Bib : 2010PhRvL.104g0802C. doi : 10.1103/PhysRevLett.104.070802. PMID  20366869. S2CID  13936087 . Consultado el 9 de febrero de 2011 .
  7. ^ "El segundo 'reloj lógico cuántico' del NIST basado en iones de aluminio es ahora el reloj más preciso del mundo" (Comunicado 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 estándar principal de hora y frecuencia para los Estados Unidos". NIST . 26 de agosto de 2009 . Consultado el 2 de mayo de 2011 .
  9. ^ ab Cervecero, SM; Chen, J.-S.; Hankin, AM; Clementos, ER; Chou, CW; Wineland, DJ; Hume, DB; Leibrandt, DR (15 de julio de 2019). "Reloj de lógica cuántica Al + 27 con una incertidumbre sistemática inferior a 10 - 18". Cartas de revisión física . 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 entra en un nuevo régimen de precisión". Física . 12 : 79. doi : 10.1103/Física.12.79 . S2CID  199119436.
  12. ^ ab Smith, Alejandro RH; Ahmadi, Mehdi (23 de octubre de 2020). "Los relojes cuánticos observan la dilatación del tiempo clásica y cuántica". Comunicaciones de la naturaleza . 11 (1): 5360. arXiv : 1904.12390 . Código Bib : 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 se ha utilizado aquí).
  13. ^ "La teoría del cronometraje combina relojes cuánticos y la relatividad de Einstein". phys.org . Consultado el 10 de noviembre de 2020 .
  14. ^ O'Callaghan, Jonathan. "Quantum Time Twist ofrece una forma de crear el reloj de Schrödinger". Científico americano . 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 celosía óptica con precisión y estabilidad en el nivel 10-18". Naturaleza . 506 (7486): 71–5. arXiv : 1309.1137 . Código Bib :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 Martí; BJ Bloom; RL McNally; W. Zhang; Doctor en Medicina 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". Comunicaciones de la naturaleza . 6 : 6896. arXiv : 1412.8261 . Código Bib : 2015NatCo...6.6896N. doi : 10.1038/ncomms7896. PMC 4411304 . PMID  25898253. 
  18. ^ Comunicaciones científicas de JILA (21 de abril de 2015). "Ya era hora". 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 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 sólo pierde un segundo cada 15 mil millones de años". El borde . Consultado el 26 de junio de 2015 .