Bilim insanları, kuantum teknolojileri için önemli bir stronsiyum frekansını 50 kat daha iyi hassasiyetle yeniden belirledi

Kore Standartlar ve Bilim Araştırma Enstitüsü (KRISS), fotonik ızgara çipi kullanarak 1938’den bu yana 88 yıl sonra ilk kez stronsiyum (Sr) atomunun önemli geçiş frekansını yeniden ölçtü. Ölçüm belirsizliğini 50 kattan fazla azaltan yeni bir mutlak frekans değeri belirledi. Yeni nesil kuantum teknolojileri için doğru bir referans değeri sağlayan bu başarının, atom saatleri ve nötr atomlu kuantum bilgisayarları da dahil olmak üzere kuantum cihazlarının hassas kontrolüne ve minyatürleştirilmesine katkıda bulunması bekleniyor. Çalışma dergide yayınlandı Metroloji.

Stronsiyum, optik kafes saatleri ve kuantum sensörleri gibi hassas kuantum teknolojilerinde yaygın olarak kullanılan bir atomdur. Bu teknolojilerde stronsiyumun kullanılabilmesi için hızlı hareket eden atomların hassas biçimde ayarlanmış lazerlerle yavaşlatılması ve yakalanması gerekiyor. Bu, atomik geçiş için lazer ışığının tam rezonans frekansının bilinmesini gerektirir.

Ancak önceki frekans değeri 1938’de güneş spektrumu ile stronsiyumun ark ışığı karşılaştırılarak elde edilmişti ve belirsizliği günümüzün hassas lazer frekans ayarları için çok büyüktü. Sonuç olarak araştırmacılar, tıpkı bir analog radyonun kadranını bir istasyona ayarlamak için çevirmek gibi, atomların tepkisini doğrudan gözlemlemek ve lazer frekansını gerektiği gibi ayarlamak zorunda kaldı.

Işık için frekans kontrolü ve ölçüm teknolojisi ilerledikçe ve kuantum cihazlarının minyatürleştirilmesine çalışıldıkça, doğru bir mutlak frekans değerine olan ihtiyaç arttı. Buna yanıt olarak araştırma ekibi, stronsiyum atomlarının 461 nanometre (nm) optik geçişinin mutlak frekansını ölçtü. Bir yıl süren hassas ölçüm kampanyasının ardından belirsizlik, önceki değere göre 50 kattan fazla bir artışla yaklaşık 5 megahertz’e (MHz) düşürüldü.

Bu ölçüm, KRISS’in kurduğu ve sürdürdüğü Kore Standart Saati’nin ulusal saat ve frekans standardına göre izlenebilirliği sağlamıştır. Bu standart Uluslararası Birim Sistemine (SI) bağlı olduğundan, ölçümler laboratuvar veya ekipman ortamlarındaki farklılıklara bakılmaksızın dünyanın herhangi bir yerindeki aynı referansla güvenilir bir şekilde karşılaştırılabilir.

Ölçüm stabilitesini artıran temel cihaz, KRISS’in Kore İleri Bilim ve Teknoloji Enstitüsü ve Ulusal NanoFab Merkezi ile ortaklaşa geliştirdiği “fotonik ızgara çipidir”. Çipin yüzeyindeki, bir vakumun içine yerleştirilmiş ince ızgara yapısı, ışığı belirli yönlerde kırar ve yansıtır, böylece birden fazla dış aynanın hizalanmasını gerektiren geleneksel yöntemlere kıyasla mekanik titreşimlerin neden olduğu ölçüm hatalarını azaltır. Ek olarak, tek bir çip birden fazla yönde lazer ışınları üretebiliyor ve bu da optik kurulumu kolaylaştırıyor.

Ekipmanla ilgili ölçüm hatalarını azaltan araştırmacılar, daha sonra farklı prensiplere dayalı iki yöntem kullanarak geçiş frekansını bağımsız olarak belirleyerek sonuçların güvenilirliğini doğruladılar. Yöntemlerden biri, lazer frekansına bağlı olarak atomların ışığa nasıl tepki verdiğini analiz ederken, diğeri, lazerler tarafından yavaşlatılan bir atom ışınının hız dağılımından geçiş frekansını çıkarıyor.

Hata payları dahilinde mutabakata varılan iki yöntemden elde edilen değerler ve uluslararası kurallara uygun olarak her bir sonucun belirsizliği hesaba katılarak nihai değer hesaplandı.

Yeni oluşturulan mutlak frekans değeri, stronsiyum tabanlı optik kafes saatlerinde, kuantum sensörlerinde ve nötr atomlu kuantum bilgisayarlarında atomların hassas bir şekilde soğutulması, yakalanması ve kontrol edilmesi için bir referans olarak kullanılabilir. Halihazırda geliştirilmekte olan optik frekans sentezi teknolojisi ile birleştirildiğinde, yeni nesil kuantum cihazlarını hacimli, harici atom frekansı referanslarına bağlı olmaktan kurtarır. Bu teknolojilerin soğuk atom tabanlı kuantum cihazlarının minyatürleştirilmesini ve ticarileştirilmesini hızlandırması bekleniyor.

KRISS Atomik Kuantum Algılama Grubu’nun baş araştırma bilimcisi Dr. Jae Hoon Lee şunları söyledi: “Bu araştırmanın asıl öneminin sadece tek bir frekans değerini yeniden ölçmüş olmamız değil, aynı zamanda yeni nesil kuantum teknolojileri için proaktif olarak doğru bir ölçüm referans noktası sunmuş olmamız olduğuna inanıyorum.

“Ulusal bir metroloji enstitüsü (NMI) olarak KRISS, kuantum bilimi ve teknolojisinde ihtiyaç duyulan yeni ölçüm alanları için standartlara öncülük etmeye devam edecek.”