Kuzmich wil gebruik maken van het kwantumverschijnsel verstrengeling om atoomklokken nauwkeuriger te maken. Een atoomklok meet bij welke microgolffrequentie atomen (vaak Cesium) resoneren en van het ene naar het andere energieniveau overspringen. Kwantumverstrengeling zou de atomen zo op elkaar afstellen, dat ze gevoelig worden voor elkaars energietoestand.
In plaats van losse atomen zou de verstrengelde atoomklok beschikken over één samenwerkende massa. Het resultaat: minder ruis in de metingen en veel efficiënter gebruik van de aanwezige atomen. Kuzmich liet zien, dat de nauwkeurigheid bij verstrengelde atomen rechtstreeks toeneemt met het aantal atomen. Bij niet-verstrengelde atomen stijgt de nauwkeurigheid veel trager, namelijk als de wortel van het aantal atomen. Bij een zelfde aantal atomen zou de verstrengelde atoomklok daarom een stuk nauwkeuriger zijn dan huidige ontwerpen.
Fontein van CesiumDe Fountain Cesium Clock is het populairste ontwerp voor een atoomklok. Lasers dwingen cesium-atomen in een balletje en koelen ze tegelijkertijd af. Daarna wordt de bal omhoog getikt (het fontein-effect) en gaat daarbij door een bad van microgolven. Op de weg terug wordt met een laatste laser gekeken hoeveel atomen energie uit het bad op hebben genomen: die reageren met een lichtflits. Bij de resonantiefrequentie van cesium, een goed bepaald getal, nemen bijna alle atomen energie op: die microgolffrequentie is de standaard waar alle andere klokken op vertrouwen. bron: NIST
Boven ons hoofd draaien honderden atoomklokken: elke GPS-satelliet (Global Positioning System) heeft bijvoorbeeld vier atoomklokken aan boord, want er zijn extreem nauwkeurige tijdssignalen nodig om de lokatie van een GPS-ontvanger te bepalen. Maar GPS is niet de enige toepassing van atoomklokken: wetenschappers gebruiken ze ook om de drift van continenten of de omwentelingssnelheid van de aarde mee te volgen. Kuzmich’s idee is dus breed toepasbaar.
De F1-atoomklok van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) is een van de nauwkeurigste ter wereld. Deze klok heeft een relatieve fout van maar 2×10-15; dat komt neer op één seconde verkeerd tellen in zo’n 20 miljoen jaar! bron: NIST
Wanneer worden de eerste verstrengelde atoomklokken gebouwd? Op dit moment heeft Kuzmich alleen nog maar een idee geschetst. Het echte ontwerpen en bouwen moet nog beginnen. Toch is hij optimistisch: “We kunnen de atomen verstrengelen met apparatuur die al deel uitmaakt van bestaande atoomklokken. We hopen over twee tot drie jaar een verstrengelde atoomklok te kunnen presenteren,” gaf hij aan. Op de vraag, of hij dat geen erg onnauwkeurige tijdsaanduiding vond, gaf hij wijselijk geen antwoord…
Zie ook:
- Spooky atomic clocks (Engels)
- Hoe atoomklokken werken (Engels)
- NIST-F1: de nauwkeurigste Amerikaanse atoomklok
- Kwantumteleportatie werkt met verstrengelde fotonen (Kennislink artikel)
- Verstrengeling is de basis van de kwantumcomputer (Kennislink artikel)