ساعة المنطق الكمي

الساعة الكمومية هي نوع من الساعات الذرية، تعتمد على أيونات مفردة مبردة بالليزر ومحصورة معًا في مصيدة أيونية كهرومغناطيسية . طُوّرت هذه الساعة عام 2010 على يد فيزيائيين في المعهد الوطني الأمريكي للمعايير والتكنولوجيا ، وكانت أكثر دقة بـ 37 مرة من المعيار الدولي السائد آنذاك. ^{[ 1 ]} أما ساعة المنطق الكمومي، فتعتمد على أيون طيفي من الألومنيوم مع ذرة منطقية.

تعتمد كل من الساعة الكمومية المصنوعة من الألومنيوم والساعة الذرية الضوئية المصنوعة من الزئبق على قياس الوقت عن طريق اهتزاز الأيونات بتردد ضوئي باستخدام ليزر فوق بنفسجي ، وهو تردد أعلى بمئة ألف مرة من ترددات الميكروويف المستخدمة في معيار NIST-F1 ومعايير زمنية مماثلة أخرى حول العالم. تتميز الساعات الكمومية من هذا النوع بدقة أعلى بكثير من معايير الميكروويف.

لا يستطيع فريق المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) قياس عدد دقات الساعة في الثانية الواحدة لأن تعريف الثانية يعتمد على معيار NIST-F1، الذي لا يمكنه قياس آلة بدقة أكبر من دقة قياسه. ومع ذلك، فإن التردد المقاس لساعة أيون الألومنيوم وفقًا للمعيار الحالي هو1 121 015 393 207 857 .4(7)  هرتز . ^{[ 2 ]} وقد عزا المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) دقة الساعة إلى كونها غير حساسة للمجالات المغناطيسية والكهربائية المحيطة، وغير متأثرة بدرجة الحرارة. ^{[ 3 ]}

في مارس 2008، وصف علماء الفيزياء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ساعةً تجريبيةً تعتمد على منطق الكم، وتستند إلى أيونات منفردة من البريليوم والألومنيوم . وقد قورنت هذه الساعة بساعة أيون الزئبق التابعة للمعهد . وكانت هاتان الساعتان من أدق الساعات التي تم بناؤها، إذ لم تتقدم أي منهما في الوقت أو تتأخر بمعدل يتجاوز ثانية واحدة خلال أكثر من مليار سنة. ^{[ 4 ]}

في فبراير 2010، وصف علماء الفيزياء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) نسخةً ثانيةً مُحسّنةً من ساعة المنطق الكمومي، تعتمد على أيونات منفردة من المغنيسيوم والألومنيوم . واعتُبرت هذه الساعة، التي كانت تُعتبر أدق ساعة في العالم عام 2010، بدقة تردد كسري تبلغ 8.6 × 10⁻¹⁸ ^، أكثر دقةً بأكثر من الضعف مقارنةً بالساعة الأصلية. ^{[ 5 ] [ 6 ]} وبالنسبة للانحراف المعياري ، تنحرف ساعة المنطق الكمومي ثانيةً واحدةً كل 3.68 مليار سنة، بينما كان عدم اليقين في ساعة نافورة السيزيوم الذرية ، المعيار الدولي آنذاك NIST-F1، حوالي 3.1 × 10⁻¹⁶ ^، ومن المتوقع ألا تتقدم أو تتأخر ثانيةً واحدةً لأكثر من 100 مليون سنة. ^{[ 7 ] [ 8 ] في يوليو 2019، أثبت علماء المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST )} وجود ساعة من هذا النوع بدقة إجمالية تبلغ 9.4 × 10⁻¹⁹ ⁽ أي انحراف ثانية واحدة كل 33.7 مليار سنة)، وهو أول عرض لساعة بدقة أقل من 10⁻¹⁸ . ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

في ورقة بحثية نُشرت عام 2020، أوضح العلماء كيف يمكن للساعات الكمومية أن تشهد تراكبًا زمنيًا ذاتيًا قابلًا للاختبار تجريبيًا، وذلك عبر تمدد الزمن في نظرية النسبية، حيث يمر الزمن ببطء بالنسبة لجسم ما مقارنةً بجسم آخر عندما يتحرك الأول بسرعة أكبر. في "تمدد الزمن الكمومي"، تتحرك إحدى الساعتين في تراكب لحزمتين موجيتين موضعيتين للزخم ، وبالتالي، توجد إمكانية أن تشهد كلتا الساعتين تراكبًا زمنيًا ذاتيًا ^{[ 13 ]} . وهذا، في سياق قياس التداخل الزمني النسبي ، يؤدي إلى تغيير في تمدد الزمن الكلاسيكي. ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 12 ]}

تم تجاوز دقة ساعات المنطق الكمومي لفترة وجيزة بساعات الشبكة الضوئية القائمة على السترونتيوم-87 والإيتربيوم -171 حتى عام 2019. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} تم وصف ساعة شبكة ضوئية تجريبية في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Nature عام 2014. ^{[ 16 ]} في عام 2015 ، قيّم معهد JILA عدم اليقين المطلق في التردد لأحدث ساعاته التي تعمل بالسترونتيوم-87 بتردد 429 تيراهيرتز (429228004229873.0 هرتز  ^[ 17 ^{] )} ساعة شبكية بصرية بتردد 2.1 × ^10⁻¹⁸ ، وهو ما يُعادل تمددًا زمنيًا جاذبيًا قابلًا للقياس لتغير في الارتفاع مقداره 2 سم (0.79 بوصة) على كوكب الأرض ، والذي ، وفقًا لزميل معهد JILA/NIST جون يي ، "يقترب جدًا من أن يكون مفيدًا في الجيوديسيا النسبية ". ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} عند هذا التردد غير المستقر، من المتوقع ألا تتقدم ساعة JILA الشبكية البصرية هذه ولا تتأخر ثانية واحدة خلال أكثر من 15 مليار سنة. ^{[ 21 ]}  

• الساعة الذرية