Tại sao đồng hồ Trung Quốc có độ chính xác đến mức chỉ sai lệch một giây sau mỗi 7,2 tỷ năm?

Một nhóm nghiên cứu từ Trung Quốc đã đạt được tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực đo lường thời gian bằng cách phát triển một chiếc đồng hồ quang học có khả năng duy trì độ chính xác đến mức sai số chỉ là một giây sau mỗi 7 tỷ năm.

Theo SCMP, bằng cách tận dụng các hạt strontium siêu lạnh kết hợp với sức mạnh của các tia laser, nhóm nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc đã tạo ra một chiếc đồng hồ có độ ổn định và độ không chắc chắn dưới 5 phần nghìn tỷ tỷ. Thành công này không chỉ làm cho Trung Quốc trở thành quốc gia thứ hai trên thế giới, sau Mỹ, đạt được mức độ chính xác cao trong việc đo lường thời gian, mà còn đặt nền tảng quan trọng cho việc thiết lập một mạng lưới đồng hồ quang học toàn cầu.

Dưới sự lãnh đạo của nhà vật lý Pan Jianwei, nhóm nghiên cứu đã công bố những phát hiện của họ trong tạp chí khoa học Metrologia, được đánh giá ngang hàng vào đầu tháng này. Họ cũng nhấn mạnh rằng, phát minh này mở ra các hướng mới trong việc kiểm tra các lý thuyết vật lý cơ bản, phát hiện sóng hấp dẫn và tìm kiếm vật chất tối.

Kỷ lục về đồng hồ quang học chính xác nhất hiện nay, dựa trên strontium, đang được giữ bởi Đại học Colorado ở Boulder (Mỹ). Chiếc đồng hồ này được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu do nhà vật lý gốc Hoa Jun Ye dẫn đầu. Chiếc đồng hồ này tiếp tục giữ vững vị trí hàng đầu trên thế giới, với độ chính xác thậm chí còn cao hơn so với đối thủ Trung Quốc và hoạt động ổn định hơn.

Không chỉ có Mỹ và Trung Quốc, các nhóm nghiên cứu từ Đại học Tokyo và Viện Nghiên cứu Vật lý và Hóa học của Nhật Bản, cùng với Viện Đo lường Quốc gia của Đức, cũng đã và đang thực hiện các dự án phát triển đồng hồ quang học.

Định nghĩa lại giây như một đơn vị cơ bản của thời gian.

Về cơ bản, đồng hồ quang học mang lại tiềm năng lớn cho các ứng dụng trong cơ sở hạ tầng quan trọng trong tương lai. Chúng có thể nâng cao đáng kể độ chính xác của các hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu, và giúp xây dựng các mạng lưới truyền thông cực kỳ an toàn dựa trên phân phối khóa lượng tử. Bên cạnh đó, chúng cũng có khả năng cải thiện việc đồng bộ hóa và hiệu quả của lưới điện, và thậm chí đóng vai trò quan trọng trong quốc phòng và an ninh quốc gia.

Trong thế giới khoa học hiện đại, định nghĩa của một giây dựa trên hoạt động của đồng hồ phun vi sóng, một loại đồng hồ nguyên tử đặc biệt. Đồng hồ này hoạt động dựa trên nguyên lý phóng các hạt cesium lên cao, sau đó chúng rơi trở lại dưới tác động của trọng lực, tạo ra một chuyển động giống như một đài phun nước. Trong quá trình này, các hạt cesium được kích thích bởi các xung vi sóng, làm cho các electron của chúng hấp thụ và phát ra các hạt ánh sáng, qua đó chuyển đổi giữa các mức năng lượng khác nhau.

Thông qua đếm những chu kỳ đánh dấu một phần giây, các nhà khoa học có thể tính giờ chính xác với độ ổn định cỡ vài phần triệu tỷ.

Tuy nhiên, độ chính xác của đồng hồ phun vi sóng lại bị giới hạn bởi tiêu chuẩn tần số vi sóng. Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu trong những năm gần đây đã phát triển các đồng hồ quang học sử dụng ánh sáng laser để thúc đẩy các chuyển đổi điện tử, từ đó đạt được hiệu suất vượt trội gấp hai bậc so với đồng hồ phun vi sóng.

Tuy nhiên, để đồng hồ phun vi sóng có thể được thay thế bởi đồng hồ quang học trong việc định nghĩa thời gian tương lai, cần có ít nhất ba phòng thí nghiệm trên thế giới sở hữu đồng hồ quang học với độ ổn định dưới 5 phần nghìn tỷ tỷ và độ lệch dưới 2 phần nghìn tỷ tỷ.

Hai yếu tố này là chìa khóa cho hiệu suất và độ tin cậy của một đồng hồ quang học. Ở đây, độ ổn định đo lường sự biến động về tần số của đồng hồ theo thời gian, trong khi độ lệch phản ánh mức độ tin cậy trong việc đo lường tần số bởi đồng hồ.

Trong nghiên cứu của mình, nhóm nghiên cứu Trung Quốc do Pan Jianwei dẫn đầu - người được gọi là 'cha đẻ của lượng tử Trung Quốc, đã làm lạnh các hạt strontium-87 xuống mức vài micro-Kelvin và giữ chúng trong một mạng lưới được tạo ra bằng các chùm laser giao nhau. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một tia laser cực kỳ ổn định để tương tác với các hạt strontium-87 bị kẹt và kích hoạt quá trình chuyển đổi đồng hồ, được gọi là clock transition, đặc trưng bởi độ ổn định và chính xác cao.

Các nhà nghiên cứu cũng đã thực hiện các phép đo so sánh tần số giữa hai đồng hồ quang học khác nhau, cho thấy rằng độ ổn định của từng đồng hồ quang học riêng biệt là khoảng 2.2 phần nghìn tỷ tỷ. Do đó, độ lệch của toàn hệ thống đạt 4.4 phần nghìn tỷ tỷ, tương đương với độ lệch một giây sau mỗi 7.2 tỷ năm, theo kết luận của nhóm nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu cũng đã lập kế hoạch thực hiện các thử nghiệm so sánh giữa các đồng hồ quang học sử dụng các loại nguyên tử khác nhau như strontium-87 và ytterbium-171. Mục đích của việc này là để khám phá và tối ưu hóa hiệu suất của các loại đồng hồ quang học dựa trên các nguyên tử khác nhau, một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của đo lường thời gian.