Naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST), odpowiednika naszego Urzędu Miar i Wag, ogłosili właśnie, że udało im się zbudować zegar atomowy, który dokładnością dziesięciokrotnie przewyższa obecnie stosowany przez Amerykanów zegar wzorcowy. Konstrukcja z NIST jest też dwukrotnie dokładniejsza od najdokładniejszych urządzeń tego typu istniejących na świecie.
Choć sama nazwa superzegara brzmi skomplikowanie - zegar logiki kwantowej - zasada jego działania nie zmieniła się od 350 lat. Czyli od momentu, kiedy Galileusz i Hughens wynaleźli czasomierz z wahadłem. Zarówno bowiem zwykły zegarek ręczny, jak i najnowszy zegar opracowany w NIST zbudowane są według tej samej reguły - składają się z elementu poruszającego się ze stałą częstotliwością oraz mechanizmu liczącego wahnięcia.
W zegarze Galileusza sekundę zajmował pełen ruch wahadła. W naręcznym zegarku w tempie 10 tys. uderzeń na sekundę drga kryształ kwarcu. Natomiast we współczesnych zegarach atomowych "wahadłem" jest atom jakiegoś pierwiastka uwięziony w polu magnetycznym i drgający w tempie miliardów razy na sekundę. I temu właśnie zegary atomowe zawdzięczają swą niezwykłą dokładność, która sprawiła, że w 1965 roku zmieniono definicję sekundy na "dokładnie 9192631770 drgnięć atomu cezu przechodzącego między dwoma stanami wzbudzenia".
Budowa zegara atomowego to dość skomplikowana operacja, a liczba parametrów, jakie trzeba wziąć pod uwagę przy "regulacji" takiego czasomierza, jest ogromna. Na jego dokładność może bowiem wpłynąć zewnętrzne pole elektryczne, jak i temperatura. Nadto nie tylko trzeba umieć uwięzić pojedynczy atom tak, by nie drgał sam z siebie (pod wpływem ciepła), a potem pobudzić go do regularnych wahnięć za pomocą fal. Na koniec zaś trzeba policzyć "cyknięcia" takiego zegara.
Właśnie z powodu liczenia impulsów naukowcy wyjątkowo lubią cez i rubid, które przy każdym "cyknięciu" produkują wyraźny impuls radiowy. Ale mimo wygody cez ma też wady - porusza się w tempie 9 bilionów drgnięć na sekundę. Ta częstotliwość wyznacza maksymalną dokładność zegara - po owych 9 bilionach sekund (milion czterysta tysięcy lat) skumulowany błąd pomiaru wynosi 1 sekundę.
Jedynym sposobem na zwiększenie dokładności jest zatem użycie innych atomów. Niestety, nie wszystkie pierwiastki tak wyraźnie odpowiadają na zewnętrzny impuls jak atomy cezu. Poprzedni rekordzista - atom rtęci - podniósł poprzeczkę dokładności zegara do jednej sekundy na 400 milionów lat.
Obecna konstrukcja idzie jeszcze dalej. Inżynierowie z NIST użyli atomu aluminium, który ma mnóstwo zalet. Między innymi nie jest podatny na zewnętrzne pole magnetyczne, jest odporny na wpływy temperatury. Niestety, ma też jedną wadę - jego tyknięcia są niezauważalne. Ale ten problem amerykańscy naukowcy ominęli w bardzo sprytny sposób. Wykorzystali prace fizyków kwantowych usiłujących zbudować komputer kwantowy. Choć do samego komputera kwantowego jeszcze nam daleko, już teraz fizycy potrafią przesłać stany kwantowe z jednego atomu na drugi. I tę sztuczkę wykorzystali naukowcy z NIST.
W ich zegarze atom aluminium odpowiada za "trzymanie tempa". Informowaniem świata o zmianach stanu atomu aluminium zajmuje się natomiast umieszczony w pobliżu atom berylu. Gdy atom aluminium zmieni stan kwantowy, atom berylu emituje impuls świetlny. Atom aluminium ma tak wysoką częstotliwość rezonansu, że dokładność superzegara wynosi dokładnie sekundę na miliard lat.
