Bouwen aan de kleinste kwantumklok ooit

Het consortium, waarin kennis uit de wetenschap en het bedrijfsleven samenkomt, krijgt hiertoe 10 miljoen euro uit het Quantum Flagship-programma van de Europese Unie.

Tijdmeting verbeteren

Het iqClock-programma is het geesteskind van natuurkundigen Florian Schreck van de UvA en Yeshpal Singh van de University of Birmingham. Zij streven een gezamenlijk doel na: het verbeteren en vereenvoudigen van de meting van de tijd. In sommige laboratoria staan al ultra-nauwkeurige klokken, zogeheten optische atoomklokken. Dit zijn de nauwkeurigste wetenschappelijke instrumenten tot dusver. Als ze gedurende de hele levensduur van het heelal zouden lopen (zo’n veertien miljard jaar), zouden ze maar een seconde verkeerd lopen. Maar hoe mooi zulke klokken ook zijn, ze hebben twee grote nadelen: ze zijn extreem moeilijk om te maken en ze zijn enorm groot, zwaar en niet erg stevig.

Eenvoudiger en kleiner

Hoe kunnen optische atoomklokken vereenvoudigd worden? "De huidige optische klokken gebruiken trillingen van atomen om een heel nauwkeurige frequentie vast te leggen waarmee de klok tikt", vertelt Schreck. "Die frequentie wordt overgebracht op een optische laser. Vandaar de naam optische klok. De fijnafstemming van de laserfrequentie op die van de atomen is niet eenvoudig, maar we hebben hier in Amsterdam een manier ontdekt om dit idee eenvoudiger te implementeren, door de trillende atomen zelf de laserstraal te laten vormen. Deze constructie staat bekend als de superradiante laser. Het tweeledige gebruik van dezelfde atomen moet het veel makkelijker maken om optische atoomklokken te bouwen, aangezien de atomen licht produceren dat niet alleen heel stabiel is, maar ook automatisch de juiste frequentie heeft."

Dit idee zou de optisch klok vereenvoudigen, maar de eerste superradiante klok moet nog gebouwd worden. De belangrijkste bouwsteen, een continue bron van ultrakoude strontiumatomen, slechts een paar miljoensten van een graad boven het absolute nulpunt, werd onlangs echter door Schreck en zijn team geproduceerd. Rond dezelfde tijd kwam Singh met het initiatief om optische atoomklokken voor het bedrijfsleven te bouwen en daarbij de problemen rond de grootte en kwetsbaarheid van de bestaande klokken te verhelpen. Hierop besloten Schreck en Singh de handen ineen te slaan en andere partners met dezelfde doelstellingen bijeen te brengen in het iqClock-consortium.

Revolutionaire veranderingen

Het uiteindelijke doel is om de technologie van optische klokken volledig transporteerbaar te maken, zodat die tegen het eind van het tienjarige programma gebruikt kan worden in bijvoorbeeld satellieten. Schreck: "Zo kan straks de nauwkeurigheid van navigatiesystemen verbeterd worden tot enkele centimeters, waarmee de manier waarop bijvoorbeeld geologen de aarde meten revolutionair zal veranderen. Maar we kunnen ook omhoogkijken in plaats van omlaag: in de astronomie worden atoomklokken gebruikt om telescopen over de hele planeet te synchroniseren tot een effectieve telescoop die zo groot is als de aarde zelf. Vervoerbare optische klokken zijn ook geweldige instrumenten om zwaartekrachtgolven mee te meten, met behulp van gesynchroniseerde satellieten die zich vele duizenden kilometers van elkaar af bevinden. Supernauwkeurige klokken zullen dus de manier waarop we naar onze planeet en het heelal kijken voor altijd veranderen."

Een meer praktische toepassing ligt in de synchronisatie van telecommunicatienetwerken, waardoor die netwerken veel beter kunnen presteren. "En ten slotte is er natuurlijk het onverwachte: als nieuwe technologieën op brede schaal beschikbaar worden, vindt de industrie onvermijdelijk nieuwe manieren om die technologie in te zetten", aldus Schreck.