Το απόλυτο παγκόσμιο ρολόι και η κβαντική σύμπλεξη

Posted on 24/06/2014

0


Ένα δίκτυο ατομικών ρολογιών εξαιρετικής ακρίβειας, που συνδέονται μεταξύ τους με το εκπληκτικό φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης, θα μπορούσαν να δημιουργήσουν το απόλυτο παγκόσμιο ρολόι.

Ένα τέτοιο επίτευγμα θα επέτρεπε όλες τις χώρες να συμφωνήσουν σε μια ακριβή μέτρηση του χρόνου, δημιουργώντας παράλληλα έναν τεράστιο κβαντικό αισθητήρα που επιπλέον θα βοηθούσε στην διερεύνηση κοσμικών μυστηρίων.

Aτομικό ρολόι από υττέρβιο ( Burrus/NIST)

Aτομικό ρολόι από υττέρβιο ( Burrus/NIST)

Τα ατομικά ρολόγια μετρούν την μικροκυματική ή οπτική συχνότητα που απαιτείται ώστε τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου να μεταβαίνουν από ένα ενεργειακό επίπεδο σε ένα άλλο. Το πρότυπο ατομικό ρολόι χρησιμοποιεί άτομα καισίου, που εκπέμπουν μικροκύματα μήκους κύματος περίπου 3,26 cm και συχνότητας 9 192 631 770 Hz (ακριβώς!).

Το Διεθνές Σύστημα Μονάδων ορίζει ως μονάδα μέτρησης του χρόνου, το δευτερόλεπτο ως εξής: ένα δευτερόλεπτο είναι η διάρκεια 9 192 631 770 περιόδων της ακτινοβολίας που αντιστοιχούν στην μετάβαση μεταξύ των δυο υπερ-λεπτων ενεργειακών σταθμών της θεμελιώδους κατάστασης του ατόμου του Καισίου 133.

cesiumΈνα τέτοιο ρολόι είναι εξαιρετικής ακρίβειας και μπορεί να χάνει ή να προπορεύεται κατά 1 δευτερόλεπτο κάθε 300 εκατομμύρια χρόνια!

Μπορεί στην καθημερινή μας ζωή ένα δευτερόλεπτο πίσω ή μπροστά να μην έχει μεγάλη σημασία, όμως δεν ισχύει το ίδιο στην σύγχρονη οικονομία και σε διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί το Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού (GPS), που για τον προσδιορισμό της ακριβούς θέσης απαιτείται η ακριβής γνώση του χρόνου που χρειάζεται για να φτάσουν στη συγκεκριμένη θέση τα σήματα των δορυφόρων GPS.

Εκείνο που έχει σημασία στη διεθνή χρονομέτρηση δεν είναι το ένα και μοναδικό εξαιρετικά ακριβές ρολόι, αλλά ένα παγκόσμιο δίκτυο ρολογιών. Ο ονομαζόμενος Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος (Coordinated Universal Time – UTC), βάσει του οποίου ρυθμίζονται όλα τα ρολόγια των κρατών στον κόσμο, εξαρτάται όχι μόνο από την ακρίβεια της μέτρησης του χρόνου, αλλά και από την ακρίβεια σύγκρισης των χρόνων που δίνουν τα κέντρα μέτρησης του χρόνου σε όλο τον κόσμο.

Αν κοιτάξεις ένα ρολόι δεν ξέρεις αν πηγαίνει καλά ή όχι. Αν έχεις δύο ρολόγια και δεν συμφωνούν και πάλι δεν ξέρεις ποιο είναι σωστό. Με τρία ρολόγια μπορείς να απορρίψεις το ένα που απέχει περισσότερο από τα άλλα δύο και να υπολογίσεις τον χρόνο με βάση κάποιον αλγόριθμο που θα λαμβάνει υπόψη την ακρίβεια και την σταθερότητα των δύο «σωστών» ρολογιών.

Διάφορα ερευνητικά κέντρα έχουν το δικό τους ρολόι καισίου και συνεργάζονται με το Διεθνές Γραφείο Μέτρων και Σταθμών στο Παρίσι, το οποίο υπολογίζει τον μέσο όρο τους και τον δημοσιεύει σε ένα μηνιαίο ενημερωτικό δελτίο που καθορίζει τον Παγκόσμιο Χρόνο (UTC). Αλλά αυτό σημαίνει πως δεν υπάρχει άμεση μέτρηση ενός καθολικά αποδεκτού πρότυπου χρόνου. Ο Παγκόσμιος Συντονισμένος Χρόνος έχει καθυστέρηση ενός μήνα.

Ο Eric Kessler από το Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι η κβαντική σύμπλεξη θα μπορούσε να δώσει μια λύση. Όταν τα κβαντικά αντικείμενα, όπως τα άτομα είναι συν-πλεκόμενα, μια μέτρηση στο ένα από αυτά θα έχει μια ακαριαία και προβλέψιμη επίδραση στο άλλο. Εάν διαθέταμε ατομικά ρολόγια σε σύμπλεξη σε διάφορα μέρη του πλανήτη και στους δορυφόρους, θα μπορούσαμε να τα συγκρίνουμε (ταυτόχρονα) άπαξ μεταξύ τους, σύμφωνα με τον Kessler.

H κβαντική σύμπλεξη αποτελεί ένα από τα πιο εντυπωσιακά φαινόμενα της κβαντομηχανικής, επιτρέποντας σε δύο σωματίδια να συν-πλέκονται μεταξύ τους ακόμα και αν βρίσκονται εκατομμύρια έτη φωτός μακριά. Η μέτρηση ενός σωματιδίου αλλάζει ταυτόχρονα την κατάσταση του κβαντικά συζευγμένου ζεύγους του, ανεξάρτητα από την απόσταση.

Αν θεωρήσουμε τα ρολόγια ως εκκρεμή, τότε η σύμπλεξη των διαφορετικών ρολογιών κάνει τα ρολόγια να ταλαντώνονται με τέλεια συμφωνία.

quantum clock networkΗ εκτίμηση της ερευνητικής ομάδας είναι ότι ένα παγκόσμιο δίκτυο κβαντικού ρολογιού θα είναι περίπου 100 φορές πιο ακριβές από οποιοδήποτε ατομικό ρολόι. Επίσης, θα είναι προστατευμένο με φυσικό τρόπο από τους χάκερ, δεδομένου ότι κάθε εξωτερική παρέμβαση σύμφωνα με την κβαντομηχανική, γίνεται άμεσα αντιληπτή.

Όμως η κβαντική σύμπλεξη είναι μια πολύ ευαίσθητη κατάσταση, και ένα τόσο μεγάλο κβαντικό δίκτυο είναι πολύ δύσκολο να παραμείνει συνδεδεμένο κβαντικά.

Σύμφωνα με τον Kessler υπάρχει ακόμα πολύς δρόμος να διανυθεί διότι απαιτούνται σημαντικές τεχνολογικές εξελίξεις, αν και όλα τα βήματα έχουν επιτευχθεί σε μικρή κλίμακα.
Η Ruxandra Bondarescu, από το Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης, μας υπενθυμίζει ότι το κβαντικό δίκτυο ρολογιών θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε πειράματα θεμελιώδους φυσικής , για μετρήσεις των ελάχιστων μεταβολών του βαρυτικού πεδίου της Γης ή στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων.

Διαβάστε περισσότερα:
1. Create the ultimate world clock with a quantum link
2. A quantum network of clocks
3. Entangled clocks could provide accurate world time standard

Ετικέτα: