最初の量子祖父時計は重力がどこから来るのかを探ることができる

量子グランドクロックの最初の完全な設計では、単一の原子、小さなミラー、光が使用されます。これを構築することは、量子の領域で時計が正確である理由を理解し、物理学の最先端のアイデアを探求するのに役立ちます。

最も基本的なレベルでは、時間は砂時計から滴る砂のような単純なもので測定できます。しかし、17 世紀にグランド クロックや振り子などの機械式時計が発明されると、計時はさらに正確になりました。コレージュ・ド・フランスのマッテオ・ブルネッリと彼の同僚は、そのような時計には量子に相当する時計があることを示した。

「私たちは自問しました。『振り子時計は量子力学の法則に従って機能するでしょうか?』私たちには確信が持てませんでした」と彼は言う。

各振り子時計には、時計の振動の刻みを定義する振り子から始まる 3 つの基本要素があります。次に、時計内部の重りで、重力の下向きの引力を利用して振り子を動かします。最後に、振り子時計には「エスケープメント機構」が必要です。これは、振り子の振動を時計アームの動きに変換し、摩擦による減速を防ぐために振り子に小さなエネルギーを供給します。具体的には、振り子が毎回同じ量だけ左から右に振り続けるためには、脱進機が重りの上下の動きを制御する必要があります。

研究者らは、これらすべての特性を量子物体で再現する数学モデルを開発しました。彼らのデザインでは、時計は向かい合う 2 つの鏡を含む空間であり、1 つは固定され、もう 1 つは前後に移動できます。鏡の間には 3 つの異なるエネルギーを持つ原子が存在します。宇宙環境におけるわずかな温度変動により、原子はあるエネルギーから別のエネルギーに遷移し、一部の遷移では原子が光子を放出します。この光子はミラーの間で跳ね返り、落下する重りが振り子を動かすのと同じように、そのうちの 1 つを振動させます。

原子は脱出メカニズムの役割を果たし、そのエネルギー状態を繰り返し通過し、カチカチとカチカチと連続することを保証します。ブルネリ氏によれば、これは脱出機構としては最小のものだという。チームの数学的分析により、すべてが正しく調整されていれば、量子時計は振り子時計と同じように、安定して信頼性が高く、刻々と動作することがわかりました。

ブルネリ氏によると、レーザーで制御する必要がある世界最高の原子時計とは異なり、この時計は自律型で、独立した熱力学機械のように動作するという。自律型量子時計は過去にも設計されていたが、脱進機機構があっても同じ振動を維持できなかったため、精度が低かったという。

実際、新しい時計は、これまで多くの自律型時計を制限してきた「熱力学的不確実性比」と呼ばれる精度の限界を突破しました。これは、時計の精度とは、時計を逆回転させるのにどれだけの労力がかかるかを指すためであり、新しい時計の精度は、特に優れた計時にとって好ましいと考えられる方法で、その不可逆性に比例していたからです。

インドのタタ基礎研究所ハイデラバードのスリーナス・マニカンダン氏は、自律時計を理解することが時間管理を理解する上で重要であると述べ、自律時計は正確さを保つために別の時計に依存しないため、プロセスの最も基本的なバージョンを捉えることができると述べています。そして、量子時計を最も基本的なレベルで理解すればするほど、量子領域で重力がどのように動作するかなど、新しい物理学を調査するのにさらに役立つ可能性があると彼は言います。 「時計の動作メカニズムを深く理解することは非常に望ましいことであり、今回の新作はその方向への大きな進歩であると思います」とマニカンダン氏は言う。

小さな空洞と光子を使った実験は一般的であるため、研究室で新しい時計を構築するために必要なコンポーネントの多くはすでに存在しています。しかし、ブルネリ氏は、脱進機の機構が新しいため、そのような実験を構築するのは技術的に困難であると述べています。 「しかし、完全に不合理というわけではありません」と彼は言う。