O ile zegarów kwantowych powszechnie nie wykorzystuje się do mierzenia czasu w codziennym życiu (nikt nie potrzebuje aż takiej precyzji), o tyle w zaawansowaniach wysokich technologii ich precyzja jest na wagę złota. Zegary optyczne, a do takiej kategorii należy najnowszy zegar z Chin, mogą przyczynić się do zwiększenia precyzji systemów globalnego pozycjonowania satelitarnego, ale także może usprawnić kwantową dystrybucji kluczy w rozwijającej się branży komputerów i obliczeń kwantowych.
Jak dotąd najbardziej precyzyjny zegar atomowy znajduje się na Uniwersytecie Kolorado w Boulder. Bezustannie nad stworzeniem podobnych urządzeń pracują fizycy z Japonii, Stanów Zjednoczonych i Niemiec Najnowszy zegar z Chin precyzją, ale także i stabilnością musi jednak nie tylko dorównać zegarowi z Boulder, ale także go przewyższyć, a to już poważne wyzwanie.
Czytaj także: Chcą poszukiwać ciemnej materii za pomocą zegarów. Czy to w ogóle możliwe?
Co do zasady sekundę definiuje się w oparciu o tzw. mikrofalowy zegar fontannowy. Zasadę działania takiego zegara można opisać następująco: zegar wyrzuca w górę atomy cezu, które następnie pod wpływem grawitacji ponownie opadają w kierunku Ziemi. Atomy te są następnie wzbudzane za pomocą impulsów mikrofalowych, dzięki czemu ich elektrony pochłaniają i reemitują kwanty światła przeskakując na różne poziomy energetyczne. Każdy taki cykl zajmuje odpowiednio krótki przedział czasu. Monitorowanie tych procesów pozwala naukowcom mierzyć czas z dokładnością do biliardowych części sekundy. Precyzja takiego mechanizmu zależna jest bezpośrednio od częstotliwości emitowanych mikrofal. Naukowcy z Chin chcąc opracować jeszcze precyzyjniejszy mechanizm, postanowili zamienić promieniowanie mikrofalowe wiązką laserową. Teoria wskazuje bowiem, że taka zmiana może poprawić precyzję pomiarów zegara o dwa rzędy wielkości, co jest ogromnym skokiem.
Do stworzenia swojego zegara optycznego, naukowcy pracujący pod kierownictwem Pana Jianweia postanowili wykorzystać atomy strontu. Atomy te najpierw musiały zostać schłodzone do temperatury zaledwie kilku mikrokelwinów, a następnie umieszczone w jednowymiarowej siatce stworzonej z wiązek laserowych. Na tak przygotowane atomy kierowano ultrastabilną wiązkę laserową, której zadaniem było wyzwolenie atomów z siatki i wywołanie precyzyjnej i stabilnej zmiany zegara.
Wyniki eksperymentu okazały się rewelacyjne. Porównanie z innymi zegarami atomowymi pozwoliło ustalić, że poziom stabilności zegara wyniósł 2,2 kwintylionowe, a niepewność jedynie 4,4 kwintylionowe części sekundy. Przekłada się to na opóźnienie rzędu jednej sekundy po 7,2 miliardach lat.
Czytaj także: Rekord dokładności zegara atomowego
Osiągnięcie takiej precyzji oznacza, że czas w przyszłości będzie mierzony za pomocą zegarów optycznych. Nie wiadomo jednak, czy wszystkie one będą wykorzystywały atomy strontu. Już teraz bowiem badacze planują w ten sam sposób przetestować atomy innych pierwiastków, takich na przykład jak iterb. Być może okaże się, że zapewniają one jeszcze wyższą precyzję.
Warto tutaj zwrócić uwagę, że powstawanie coraz to precyzyjniejszych zegarów atomowych stanowi wymierną korzyść dla znacznie szerszej grupy użytkowników. Możliwe bowiem, że urządzenia te otworzą wrota do kolejnych testów ogólnej teorii względności, badania fal grawitacyjnych, a być może nawet przyczynią się do odkrycia ulotnej do dzisiaj ciemnej materii.