タイミングの飛躍的進歩

Paul は、 ColdQuantaの量子コンピューティング担当プレジデントであり、世界で最も有用な量子コンピューターを構築するチームを率いています。

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現代の生活の多くが GPS に依存しているため、停電が発生すると米国経済は1 日あたり10 億ドル以上の損失を被ると推定されています。このような停止は、あまりにも大げさではありません。GPS が紛争地域でブロックされたり、悪意のある目的でスプーフィングされたり、太陽嵐によって中断されたりする最近の例を見てきました。本質的に、GPS はタイミング システムです。タイミングがナビゲーションにどのように関係しているか、また量子技術がどのように GPS の限界を克服できるかを理解するには、数百年の歴史を遡る必要があります。

Dava Sobel の著書Longitude は、海運と世界貿易に革命をもたらしたJohn Harrison の機械式時計の物語を語っています。ハリソンの時計が 18 世紀から 19 世紀にかけて経済成長を加速させたのと同じように、光時計は、輸送、金融サービス、通信、エネルギーなどの多様な産業を根本的に変革する態勢を整えています。

基本的に、正確な時計を構築するには、非常に高度な規則性と安定性を備えた高速で時を刻むものを見つける必要があります。1759 年に完成したハリソンのH4 時計は、1 秒間に 5 回時を刻み、1 か月間 1 秒以内の時間を刻む機械装置でした。今日、私たちは、毎秒 100 兆回以上刻み、宇宙の全年齢にわたって 1 秒以内の精度の商用光時計の最先端にいます。このタイミング精度の驚異的な向上は、人類史上最も重要な技術的飛躍であると言えます。

時間は私たちの日常生活の出来事を順序付けます。次のミーティングは何時ですか? フライトに間に合うまで何分かかりますか? ゲームは何時に始まりますか？イベントの時間を時間、分、秒で測定します。NBA のブザービーターの場合、おそらく 10 分の 1 秒になるでしょう。しかし、私たちが依存している多くのテクノロジーは、はるかに正確な時間測定を利用しています。

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たとえば、私たちは GPS を当然のことと考えています。携帯電話でアプリを起動するだけで、地球上のどこにいても数メートル以内で自分の位置を知ることができます。GPS は本質的にタイミング システムです。各 GPS 衛星には、統合された時刻信号を送信する 4 つの原子時計が搭載されています。GPS 受信機 (私たちの携帯電話に搭載されているものなど) は、複数の衛星からの時間信号のわずかな差を、それらのローカル時間基準と組み合わせて使用​​して、位置を三角測量します。

秒の国際的な定義は、セシウム 133 原子の基底状態の量子遷移の周波数に基づいており、これは 1 秒あたり90 億回を超える「ティック」です。最初のセシウム クロックは1955 年に製造され、それ以来、この周波数は世界的なタイミング標準であり続けています。簡単な計算で、このティック レートが GPS の位置精度を決定する方法を示します。GPS 無線信号は光速で移動し、約 30 cm 移動します。10億分の1秒で。そのため、セシウムが 1 回「ティック」すると、光は約 3 cm 進みます。実際の現実はもっと微妙ですが、この「封筒の裏側」は、GPS の最大の位置精度の感覚を与えます。

非常に正確で展開可能な量子時計は、GPS とは無関係に、信頼できる安定した時間のソースを可能にし、GPS が利用できない場合 (宇宙、海中、山中など)、拒否された場合、または競合している場合でも正確なナビゲーションを可能にします。この目標を達成するには、セシウムよりも速く動作するタイミング ソースが必要です。ストロンチウムまたはルビジウム原子を利用する光時計は、セシウムよりも 10,000 倍以上速く、毎秒 100 兆回以上「カチカチ」音をたてます。これらの原子は、レーザー光の格子グリッド内で絶対零度近くまで冷却できるため、ノイズが減少し、タイミングの安定性が向上します。

1714 年の英国経度法は、海運業界の将来にとって正確なタイミングが重要であることを認識し、正確で安定した海洋時計の開発を促進するために、今日では 200 万ドル以上の賞金を提供しました。今日、政府は同様に、実世界のアプリケーションに対応するために使用できる展開可能な光時計の開発に資金を提供しています。

これらの時計の用途は、ナビゲーションをはるかに超えています。今年、世界は100 ゼタバイト(1 ゼタバイトは 1,000 兆 GB) を超えるデータを作成、保存、およびアクセスし、その多くはグローバルに分散された大規模なデータベースに保存されます。データの同期が失われないように、すべてのデータベース トランザクションにタイムスタンプを付ける必要があります。たとえば、金融取引の 2 つのコピーが異なる大陸の別々のデータベースに保存され、膨大な数の毎日の取引があり、正確なタイムスタンプがなければ、真実の情報源を照合することは不可能です。最新のデータセンターには原子時計が収容されており、ローカルタイミングソースを提供し、GPS タイミングと統合され、相互に統合されて正確な時刻同期を保証します。

データベースのタイムスタンプの解像度は、主にクロック周波数の関数です。クロックが速ければ速いほど、特定の時間間隔でより多くのトランザクションを実行できるため、世界のデータ ニーズが加速するにつれて、より大量のアプリケーションとより効率的なデータ センターのスケーリングが可能になります。

アインシュタインの一般相対性理論は、重力場がどのように時間を遅らせるかを説明しています。光格子時計は、ウィスコンシン大学マディソン校とコロラド大学ボルダー校で、この重力による時間の遅れをサブセンチメートルスケールで測定するために使用されています。重力のわずかな変化を正確に測定する能力は、鉱物探査、地震予知、国家安全保障などの分野を変革します。

経度法が時計の開発を促進し、世界経済に革命をもたらしてから 300 年以上が経過しました。私たちは、先祖には文字通り想像もできなかったであろう精度を備えた商用光時計の先端に立っています。これらの時計は時間の新しい領域を切り開き、新しい発見、アプリケーション、経済成長に非常にエキサイティングな影響を与えます。チクタク—始めましょう!

（リンク：https://www.forbes.com/sites/forbestechcouncil/2023/03/27/a-quantum-leap-in-timing/?sh=432bb72619b1）