量子論理クロック

量子時計は、電磁イオントラップに閉じ込められたレーザー冷却された単一イオンを使用した原子時計の一種です。2010年に米国国立標準技術研究所の物理学者によって開発されたこの時計は、当時の国際標準よりも37倍も正確でした。^{[1]量子論理時計は}、論理原子を備えたAl分光イオン に基づいています。

Al ベースの量子時計とHgベースの光原子時計はどちらも、 UV レーザーを使用した光周波数でのイオン振動によって時間を追跡します。この周波数は、 NIST-F1や世界中の他の同様の時間標準で使用されているマイクロ波周波数の 10 万倍です。このような量子時計は、マイクロ波標準よりもはるかに正確です。

NISTチームは1秒あたりのクロックの刻みを測定することができない。なぜなら1秒の定義はNIST-F1標準に基づいており、それよりも精度の高い機械を測定できないからだ。しかし、アルミニウムイオン時計の現在の標準に対する測定周波数は1 121 015 393 207 857 .4(7) Hz。^[2] NISTは、この時計の精度は背景の磁場や電場の影響を受けず、温度の影響を受けないことによるものだとしている。^[3]

2008年3月、NISTの物理学者は、ベリリウムとアルミニウムの個々のイオンに基づいた実験的な量子論理時計について説明しました。この時計は、NISTの水銀イオン時計と比較されました。これらは、10億年以上で1秒を超える速度で時計が進むことも遅れることもない、これまでに構築された中で最も正確な時計でした。^[4]

2010年2月、NISTの物理学者は、マグネシウムとアルミニウムの個々のイオンに基づいた量子論理時計の2番目の強化バージョンについて説明しました。分数周波数誤差が8.6 × 10 ⁻¹⁸で2010年当時世界で最も正確な時計とみなされ、オリジナルの2倍以上の精度を提供します。^{[5] [6]}標準偏差 で見ると、量子論理時計は36億8000万年（3.68 × 10 ⁹）ごとに1秒ずれますが、当時の国際標準であるNIST-F1セシウム泉原子時計の不確実性は約3.1 × 10 ^{−16で、1億年（} 100 × 10 ⁶ ）を超えても1秒も進むことも遅れることもないと予想されていました。^{[7] [8]} 2019年7月、NISTの科学者たちは、総不確かさが9.4× ¹⁰⁻¹⁹ （337億年に1秒のずれ）の時計を実証しました。これは、不確かさが10−18^未満の時計の最初の実証です。^{[9] [10] [11]}

2020年の論文で、科学者たちは、相対性理論の時間の遅れを介して量子時計が実験的に検証可能な固有時間の重ね合わせを経験できること、およびそれがどのように起こるかを示しました。相対性理論では、ある物体が高速で移動すると、別の物体に比べて時間の経過が遅くなります。「量子時間の遅れ」では、2つの時計のうちの1つが2つの局所的な運動量波束の重ね合わせで動き、^{[さらなる説明が必要]}結果として古典的な時間の遅れが変化します。^{[13] [14] [12]}

量子論理時計の精度は、2019年までストロンチウム87とイッテルビウム171に基づく光格子時計に取って代わられました。 ^{[9] [10] [11]}実験的な光格子時計は2014年のネイチャー論文で説明されました。^[15] 2015年にJILAは最新のストロンチウム87 429 THz（429 228 004 229 873 .0 Hz ^[16]）の光格子時計は2.1 × 10 ⁻¹⁸で、これは地球上で2cm（0.79インチ）の高度変化に対する測定可能な重力時間の遅れに相当し、JILA/NISTフェローのJun Yeによれば「相対論的測地学に非常に役立つところまで来ている」とのことです。^{[17] [18] [19]この周波数不確実性では、このJILA光格子光時計は150億（} 1.5 × 10 ¹⁰ ）年 以上1秒も進むことも遅れることもないと予想されています。^[20]

• 原子時計