Horloge logique quantique

Une horloge quantique est un type d' horloge atomique avec des ions simples refroidis par laser confinés ensemble dans un piège à ions électromagnétique . Développée en 2010 par des physiciens du National Institute of Standards and Technology des États-Unis , l'horloge était 37 fois plus précise que la norme internationale alors en vigueur. L'horloge logique quantique est basée sur un ion de spectroscopie Al avec un atome logique .

L'horloge quantique à base d'aluminium et l' horloge atomique optique à base de mercure suivent le temps grâce à la vibration des ions à une fréquence optique utilisant un laser UV , soit 100 000 fois plus élevée que les fréquences micro-ondes utilisées dans le NIST-F1 et d'autres normes de temps similaires dans le monde. Les horloges quantiques comme celle-ci sont capables d'être beaucoup plus précises que les normes micro-ondes.

L'équipe du NIST n'est pas en mesure de mesurer les battements d'horloge par seconde car la définition d'une seconde est basée sur la norme NIST-F1, qui ne peut pas mesurer une machine plus précise qu'elle-même. Cependant, la fréquence mesurée de l'horloge à ions aluminium par rapport à la norme actuelle est1 121 015 393 207 857 .4(7) Hz . Le NIST a attribué la précision de l'horloge au fait qu'elle est insensible aux champs magnétiques et électriques de fond et qu'elle n'est pas affectée par la température.

En mars 2008, des physiciens du NIST ont décrit une horloge logique quantique expérimentale basée sur des ions individuels de béryllium et d'aluminium . Cette horloge a été comparée à l'horloge à ions de mercure du NIST . Il s'agissait des horloges les plus précises jamais construites, sans qu'aucune horloge ne gagne ou ne perde du temps à un rythme qui dépasserait une seconde en plus d'un milliard d'années.

En février 2010, les physiciens du NIST ont décrit une deuxième version améliorée de l'horloge logique quantique basée sur des ions individuels de magnésium et d'aluminium . Considérée comme l'horloge la plus précise au monde en 2010 avec une imprécision de fréquence fractionnaire de 8,6 × 10 ⁻¹⁸ , elle offre plus de deux fois la précision de l'original. En termes d' écart type , l'horloge logique quantique dévie d'une seconde tous les 3,68 milliards ( 3,68 × 10 ⁹ ) ans, tandis que l' incertitude de l'horloge atomique à fontaine à césium NIST-F1 alors standard internationale était d'environ 3,1 × 10 ⁻¹⁶ et ne devrait ni gagner ni perdre une seconde en plus de 100 millions ( 100 × 10 ⁶ ) ans. En juillet 2019, les scientifiques du NIST ont démontré une telle horloge avec une incertitude totale de 9,4 × 10 ⁻¹⁹ (dévie d'une seconde tous les 33,7 milliards d'années), ce qui constitue la première démonstration d'une horloge avec une incertitude inférieure à 10 ⁻¹⁸ .

Dans un article de 2020, des scientifiques ont illustré cela et comment les horloges quantiques pourraient connaître une superposition de temps propres éventuellement testable expérimentalement via la dilatation du temps de la théorie de la relativité par laquelle le temps passe plus lentement pour un objet par rapport à un autre objet lorsque le premier se déplace à une vitesse plus élevée. Dans la « dilatation du temps quantique », l'une des deux horloges se déplace dans une superposition de deux paquets d'ondes d'impulsion localisés , ce qui entraîne une modification de la dilatation du temps classique.

La précision des horloges logiques quantiques a été brièvement dépassée par les horloges à réseau optique basées sur le strontium-87 et l'ytterbium-171 jusqu'en 2019. Une horloge à réseau optique expérimentale a été décrite dans un article de Nature de 2014. En 2015, JILA a évalué l'incertitude de fréquence absolue de leur dernier strontium-87 429 THz (429 228 004 229 873 .0 Hz ) horloge à réseau optique à 2,1 × 10 ⁻¹⁸ , ce qui correspond à une dilatation temporelle gravitationnelle mesurable pour un changement d'altitude de 2 cm (0,79 po) sur la planète Terre qui, selon Jun Ye, membre du JILA/NIST, « est vraiment proche d'être utile pour la géodésie relativiste ». À cette incertitude de fréquence, cette horloge optique à réseau optique JILA ne devrait ni gagner ni perdre une seconde en plus de 15 milliards ( 1,5 × 10 ¹⁰ ) d'années.