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下一代原子钟:推进量子技术

2022-07-27 10:32:51 来源:
摘要:一个由量子物理学家组成的研究小组与英国国防科学与技术实验室(Dstl)合作并提供部分资金,以设计新的方法,不仅可以减小下一代原子钟的尺寸,而且还可以使它们足够强大以被运出实验室并在“现实世界”中工作。

    量子(或原子)时钟被广泛认为对于越来越精确的领域方法至关重要,例如世界各地的在线通信、导航系统或全球股票交易,在这些领域,几分之一秒可能会产生巨大的经济差异。具有光学时钟频率的下一代原子钟可以比其微波同类产品精确 10,000 倍,从而为重新定义标准 (SI) 测量单位提供了可能性。
 

解锁未来的定位和导航应用

    有朝一日,更先进的光学时钟可能会对日常生活和基础科学产生重大影响。通过允许比其他时钟更长的重新同步时间间隔,它们为国家计时基础设施提供了更高的弹性,并解锁了未来自动驾驶汽车的定位和导航应用。
 
    这些下一代原子钟无与伦比的精确度还可以帮助我们观察标准物理模型并了解宇宙中一些最神秘的方面,包括暗物质和暗能量。这样的时钟也将有助于解决基本的物理问题,例如基本常数是否真的是“常数”,或者它们是否随时间变化。
 
    “光学时钟的稳定性和精度使其对许多未来的信息网络和通信至关重要。一旦我们有了一个可以在实验室外使用的系统,我们就可以在例如地面导航网络中使用它们,所有这些时钟都通过光纤连接并开始相互通信,”Yogeshwar Kale 博士解释说,首席研究员。
 
    “这样的网络将减少我们对 GPS 系统的依赖,而 GPS 系统有时会失败。这些可运输的光学时钟不仅有助于改进大地测量——地球形状和重力变化的基本特性——而且还将作为早期监测和识别地震和火山等地球动力学信号的前兆。”
 
部署下一代原子钟的主要障碍

    尽管这种量子时钟正在迅速发展,但部署它们的主要障碍是它们的尺寸——目前的模型装在货车或汽车拖车中,大约 1,500 升——以及它们对环境条件的敏感性限制了它们在不同地方之间的运输。
 
   位于英国量子技术中心传感器和定时的伯明翰大学的团队创建 了一个解决方案,在一个约 120 升、重量不到 75 公斤的“盒子”包装中解决了这两个挑战。 
 
    “Dstl 将光学时钟技术视为国防部未来能力的关键推动力。此类时钟有可能通过增强国家基础设施的弹性并改变通信和传感器网络的设计方式来塑造未来,”Dstl 的一位发言人说。
 
    “在 Dstl 的支持下,伯明翰大学在使光学晶格钟的许多子系统小型化方面取得了重大进展,并在此过程中克服了许多重大的工程挑战。我们期待看到他们在这个令人兴奋和快速发展的领域取得的进一步进展。”
 
原子钟是如何工作的?

    下一代原子钟利用激光产生并测量原子中的量子振荡。可以高精度地 测量这些振荡,并且从频率也可以测量时间。一个挑战是尽量减少对测量的外部影响,例如机械振动和电磁干扰。为此,测量必须在真空中进行,并且外部干扰最小。 
 
    新设计的核心是一个超高真空室,比量子计时领域中使用的任何一个都小。该腔室可用于捕获原子,然后将它们冷却到非常接近“绝对零”值,使它们达到可用于精密量子传感器的状态。
 
    科学家们证明,他们可以在不到一秒钟的时间内在室内捕获近 160,000 个超冷原子。此外,据透露,他们可以将系统运输超过 200 公里,然后在不到 90 分钟的时间内将其设置为准备好进行测量。在旅途中,该系统能够承受高于室温 8 度的温度升高。
 
    “我们已经能够展示一个强大且有弹性的系统,可以由一名训练有素的技术人员快速运输和设置。这让我们更接近于看到这些高精度量子仪器在实验室环境之外的挑战性环境中使用,”Kale 博士总结道。

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