L'horloge logique quantique - peut-être mieux connue pour vous montrer que vous vieillissez plus vite si vous vous tenez debout sur un tabouret - est revenue aux principaux échelons de performance des horloges atomiques expérimentales du monde.

Les physiciens du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont discrètement amélioré leur conception d'horloge à logique quantique au cours des huit dernières années, principalement pour réduire les erreurs dues au mouvement indésirable de l'ion aluminium unique (atome chargé électriquement) qui fournit les « ticks » de l'horloge.

Comme décrit dans Lettres d'examen physique , l'incertitude systématique de l'horloge logique quantique (à quel point l'horloge représente-t-elle les vibrations naturelles de l'ion, ou fréquence) est de 9,5×10?19, le meilleur de toutes les horloges dans le monde. Cela signifie que l'horloge logique ne gagnerait ni ne perdrait désormais une seconde en 33 milliards d'années, qui est environ deux fois et demie l'âge estimé de l'univers.

Dans cette métrique, il dépasse maintenant les deux horloges du NIST en utilisant des atomes neutres piégés dans des réseaux de faisceaux laser, l'horloge à réseau d'ytterbium et l'horloge à réseau de strontium.

"Les performances de l'horloge logique ne m'étonnent pas, " Le chef de projet David Leibrandt a déclaré. " Les horloges ioniques sont naturellement mieux isolées de l'environnement - qui est la source d'imprécision pour les horloges atomiques - que ne le sont les horloges à réseau. Il est important de distinguer précision et stabilité sur ce point. Les gens s'attendent à ce que les horloges à treillis soient les meilleures en termes de stabilité, et ils le font actuellement. Notre toute dernière horloge logique quantique est le leader mondial de la précision mais pas de la stabilité."

La stabilité de l'horloge logique (combien de temps il faut pour mesurer le temps) est de 1,2 × 10 ^-15 pour une mesure de 1 seconde, ce qui est proche du meilleur atteint par une seule horloge ionique mais environ 10 fois pire que les deux horloges en réseau NIST.

L'horloge logique quantique tire son surnom parce qu'elle emprunte des techniques de prise de décision logique à l'informatique quantique expérimentale. L'aluminium est une source exceptionnellement stable de tics d'horloge, vibrant entre deux niveaux d'énergie plus d'un million de milliards de fois par seconde, mais ses propriétés ne sont pas facilement manipulées ou détectées avec des lasers. Donc, des opérations logiques avec un ion magnésium partenaire sont utilisées pour refroidir l'aluminium et pour signaler ses tiques.

De retour en 2010, L'horloge logique quantique du NIST avait les meilleures performances de toutes les horloges atomiques expérimentales. L'horloge a également attiré l'attention sur les démonstrations de 2010 des aspects de « dilatation du temps » des théories de la relativité d'Einstein :ce temps passe plus vite à des altitudes plus élevées mais plus lentement lorsque vous vous déplacez plus vite.

Depuis, Les horloges en réseau du NIST ont continuellement dépassé les autres en termes de performances, donnant l'impression d'une course pour identifier un seul vainqueur. En réalité, toutes les horloges sont utiles à des fins de recherche et sont des candidats possibles pour les futures normes de temps ou d'autres applications.

La définition internationale de la seconde (dans le Système international d'unités, ou SI) est basé sur l'atome de césium depuis 1967, le césium reste donc la « règle » pour le chronométrage officiel. L'horloge logique est l'un des prétendants à une future norme de temps qui sera sélectionnée par la communauté scientifique internationale. Les scientifiques du NIST travaillent sur plusieurs types d'horloges expérimentales, chacun basé sur des atomes différents et offrant ses propres avantages. Toutes ces horloges expérimentales sont basées sur des fréquences optiques, qui sont plus élevées que les fréquences micro-ondes utilisées dans les normes de chronométrage d'aujourd'hui basées sur le césium.

Plusieurs avancées techniques ont permis d'améliorer les performances de l'horloge logique, y compris une nouvelle conception de piège à ions qui réduit le mouvement ionique induit par la chaleur, permettant un fonctionnement proche de l'état fondamental souhaitable, ou le niveau d'énergie motrice le plus bas. En outre, une fréquence plus basse a été utilisée pour faire fonctionner le piège à ions, réduire le mouvement ionique indésirable causé par le champ électrique utilisé pour piéger les ions. Finalement, l'amélioration du contrôle quantique a réduit l'incertitude des mesures des décalages de fréquence dus au mouvement des ions.

La précision de l'horloge a été déterminée en mesurant et en additionnant les décalages de fréquence causés par neuf effets différents. La stabilité a été mesurée par comparaison avec l'horloge à réseau d'ytterbium du NIST.

Des améliorations supplémentaires dans la conception des pièges et d'autres fonctionnalités sont prévues pour améliorer encore les performances. Déjà, Les trois horloges expérimentales du NIST peuvent être comparées pour améliorer les mesures des changements possibles dans certaines des "constantes" fondamentales de la nature, une ligne de recherche qui a des implications importantes pour la cosmologie et les tests des lois de la physique telles que les théories d'Einstein sur la relativité restreinte et générale.