Почему простые задачи, такие как зарядка вашего телефона, полагаются на квантовые измерения

Если вы что -то похожи на меня, вы почти всегда заряжаете свой смартфон. Вы можете не осознавать, что способность делать это безопасно зависит от тонкого квантового измерения на реленере физики.

Чтобы понять, почему нам нужно посмотреть, что происходит, когда вы подключите зарядное устройство к стандартной розетке. Электричество, которое вытекает из розетки, носит более сотен вольт, но зарядное устройство разработано так, что к моменту электричества достигает вашего телефона, оно было преобразовано для перевозки дюжины. Если бы не это снижение напряжения, телефон загорелся.

Другими словами, точное количество вольт имеет очень конкретное значение. Но как мы узнаем, что такое один вольт? И кто следит за тем, чтобы вы могли доверять производителю вашего телефонного зарядного устройства, когда они сообщают о его напряжении?

Хотя это может показаться чисто научным вопросом, в США VOLT имеет юридическое определение, которое датируется 1904 году и поддерживается Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), которому поручено обеспечить, чтобы все отрасли в стране согласовались с тем, какие различные единицы – они являются вольтами или килограммами или секундами – и их постоянно используют. Во многих других странах есть свое собственное национальное метрологическое подразделение, чтобы делать то же самое, например, Национальная физическая лаборатория Великобритании.

Когда дело доходит до Volt, в течение более трех десятилетий определение NIST основывалось на квантовом устройстве. Здесь метрологи начинают с множества сверхпроводящие Соединения-походное переходное расположение узких сверхпроводящих областей, разделенных изоляционным материалом,-и подвергают его микроволнам очень специфической частоты. Это вызывает чисто квантовый эффект, который вызывает разницу напряжений между соединениями. Количество вольт, которые составляют эту разницу, напрямую связано с двумя фундаментальными константами вселенной. Это позволяет исследователям использовать числа, которые, насколько нам известно, являются частью самого леса нашей физической реальности, чтобы определить, что такое вольт.

Примечательно, что две константы в этом случае являются заряд одного электрона, который является фундаментальной квантовой частицей, и константа Планка, которая связывает энергию фотона – квантовая частица света – с его частотой. Другими словами, линия от зарядки вашего телефона до самых основных ингредиентов квантового мира удивительно короткая.

Но вольт не одинок в том, что он укоренился в квантовом сфере. Фактически, в 2018 году метрологи со всего мира единогласно проголосовали за переопределите несколько записей В международной системе подразделений (подразделений SI), которая сделала их более тесно связанными с деталями микроскопического мира.

Для некоторых подразделений это изменение было радикальным и драматичным. Килограммнапример, перешел от того, чтобы быть куском платинового сплава, который официально мог быть отполирован только кожей из исчезающего европейского коз, к определению с точки зрения комбинации постоянной Планка, скорости света и частоты, с помощью которых электроны «клещают» внутри определенных атомных часов. Если вы недавно наступили по шкале в кабинете врача, оказывается, что квантовая физика была частью того, как смысл назначен численности, который вы там видели.

Движение к более квантовым определениям единиц отражает невероятные научные достижения, которые мы достигли за последние несколько десятилетий, когда речь заходит о понимании, контроле и исследовании нашего мира в самых маленьких масштабах. Например, в январе я поговорил с Александр Эппли в Университете Колорадо Боулдер, исследователь, занимающийся построением некоторых из самые точные часы в миреПолем «Частота – это лучшее, что когда -либо измерили люди, мы самые лучшие при измерении частоты», – сказал он мне. Частоты этих часов отражают, как часто электроны прыгают между различными энергиями в рамках атома, процессом, который регулируется законами квантовой физики.

Этот замечательный уровень контроля над квантовыми системами, и люди являются «абсолютными лучшими» в чем -то квантовом, имеет преимущества за пределами невероятно точного определения секунды. Например, часы на основе атомов могут найти применение при точности расчета формы Земли или, возможно, даже в системах раннего предупреждения следующего поколения для землетрясений и извержений вулкана.

Переход Quantum может также помочь демократизировать доступ к лучшим в мире стандартах измерения. До переопределения подразделений SI, производителей, исследователей и технологов 2018 года, которые хотели подтвердить, что их устройства были точными и правильно откалиброванными, часто приходилось отправлять их в свой местный институт метрологии, где специалисты будут выполнять сертификацию. Теперь стандарты, против которых сертифицированы подразделения, – это аспекты природы, которые по сути предназначены для захвата для всех, у кого достаточно сложная лаборатория. «Как мы раньше говорили, идея состоит в том, чтобы избавиться от бизнеса», – говорит Ричард Дэвискоторый выходит на пенсию из Международного бюро весов и мер, которое контролирует систему SI. «Вся система гораздо более гибкая, а также гораздо менее евроцентрична».

«У нас есть все это оборудование, поэтому люди приходят к нам. Но одна из вещей, над которыми мы работаем с тех пор, как это переопределение – это для людей, чтобы больше не отправлять нам свое оборудование, и мы стараемся научить их самостоятельно измерять», – NIST’S Джейсон Андервуд сказал мне в августе. «Сейчас есть эта структура под новым Si, где все, что вы пытаетесь сделать, это создать инструмент, который может вернуть вам отслеживание к этим фундаментальным константам вселенной».

Он и его коллега недавно дебютировал Прототип квантового устройства, которое может измерить три различных электрических единица, в том числе Volt, одновременно, и одной из их долгосрочных целей со строительством, было именно то, что может в конечном итоге покинуть здание NIST. Будучи сделкой с тремя в одном, такое устройство, если он действительно переносимый, сделает гораздо проще и доступнее для сравнения электронных устройств с соответствующими стандартами.

Исторически, как мы думаем о подразделениях, становится все более и более квантовым, но что может удержаться в их будущем? Когда дело доходит до электрических подразделений, таких как Андервуд и его коллеги, о которых беспокоится, квантовый стандарт еще не был принят на международном уровне так же, как у второго или килограмма, и еще много экспериментов должны быть проведены, чтобы добраться туда. Подобные устройства разрабатываются в других местах мира, например, на основе ЕС. Консорциум Quahmet.

Будущее второго также происходит, так как исследователи работают над созданием еще лучшего, повторного разработки часов на основе атомов и демонстрируют, что их можно использовать для переопределения того, как мы измеряем время. В апреле я сообщил о международной команде исследователей, что отправился в эпическое путешествие С несколькими из этих хрупких, современных часов, один из Японии, один из Великобритании и один из Германии, на буксире, с миссией сравнения их клещей. Эта работа также продолжается, поэтому я ожидаю писать больше о квантовых часах в будущем.

Но, несмотря на то, что метрологи стремятся к постоянно стабильности в своих определениях, работа метрологии по своей природе нестабильна, поскольку она тесно связана с национальной политикой финансирования и международной дипломатией. Это было верно в 1875 году, когда делегаты на самой Первой Международной конвенции по измерению должны были направлять политическую напряженность между Францией и Германией после франко-прусской войны. И это остается верным сегодня – когда я сообщил о работе NIST в августе, часть моей дискуссии с исследователями была посвящена инфраструктуре учреждения, которую 2023 Исследование считается, что ухудшается. Администрация Трампа даже предложила сокращение бюджета на 43 процента для NIST в начале этого года. Конгресс в конечном итоге отклонил это предложение, но эпизод подчеркивает, как трудно развестись с работой метрологических институтов из национальной политики.