- ทีมนักวิจัยของ NIST ยกระดับความเที่ยงตรงของ นาฬิกาอะตอมแบบอะลูมิเนียมไอออน อย่างมาก จนสร้างสถิติใหม่ด้าน ความแม่นยำสูงที่สุดในโลก
- ทำได้ทั้ง ความแม่นยำสูงขึ้น 41% เมื่อเทียบกับสถิติเดิม และ เสถียรภาพดีขึ้น 2.6 เท่าเมื่อเทียบกับนาฬิกาไอออนรุ่นอื่น
- ปรับปรุงสมรรถนะหลักด้วยเทคนิคนวัตกรรม เช่น 'quantum logic spectroscopy' ของ คู่ไอออนอะลูมิเนียม-แมกนีเซียม รวมถึงการปรับแต่งระบบสุญญากาศและอัปเกรดเลเซอร์
- จากงานวิจัยที่สั่งสมมาหลายทศวรรษ ทำให้สามารถวัด 1 วินาทีได้ถึงระดับ 10^-19 และคาดว่าจะช่วยผลักดัน นิยามหน่วยเวลายุคถัดไป รวมถึง ความก้าวหน้าของฟิสิกส์ควอนตัม
- ด้วย การลดเวลาที่ใช้ในการวัด จึงคาดว่าจะนำไปใช้ได้กว้างขึ้นทั้งในธรณีศาสตร์และงานวิจัยฟิสิกส์ใหม่ที่อยู่นอกเหนือ Standard Model
การปรับปรุงสมรรถนะและการทำลายสถิติของนาฬิกาไอออน NIST
- ทีมนักวิจัยจาก National Institute of Standards and Technology (NIST) ของสหรัฐฯ ได้ปรับปรุงสมรรถนะของ นาฬิกาอะตอมที่ใช้อะลูมิเนียมไอออน จนทำความแม่นยำได้สูงที่สุดในโลก
- นาฬิการุ่นนี้สามารถวัดเวลาได้อย่างแม่นยำถึง ทศนิยม 19 ตำแหน่ง
- ผลจากการอัปเกรดสมรรถนะอย่างต่อเนื่องตลอด 20 ปีที่ผ่านมา ทำให้มี ความแม่นยำสูงกว่าสถิติโลกเดิม 41% และมี เสถียรภาพสูงขึ้น 2.6 เท่า
- เป็นผลจากการปรับปรุงองค์ประกอบทุกส่วนอย่างละเอียด ไม่ว่าจะเป็นเลเซอร์ กับดักไอออน และห้องสุญญากาศ
- ผลการวิจัยตีพิมพ์ใน Physical Review Letters
หลักการและนวัตกรรมของนาฬิกาอะลูมิเนียมไอออน
- อะลูมิเนียมไอออน มีลักษณะการ “ติ๊ก” ที่สม่ำเสมอมากและมีความถี่สูง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวัดเวลา
- ให้ความถี่ที่เสถียรกว่า ซีเซียม ซึ่งเคยถูกใช้ในการนิยาม 1 วินาทีมาก่อน
- มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อม เช่น อุณหภูมิรอบข้างหรือสนามแม่เหล็ก น้อยกว่า จึงมีความเหนือกว่า
- อย่างไรก็ตาม อะลูมิเนียมมี คุณสมบัติที่ตรวจจับและทำให้เย็นด้วยเลเซอร์ได้ยาก จึงใช้ระบบ “บัดดี้” โดยให้ แมกนีเซียมไอออน ทำงานร่วมกันเพื่อชดเชยข้อจำกัดนี้
- แมกนีเซียมสามารถควบคุมและทำให้เย็นด้วยเลเซอร์ได้ดี และด้วยเทคนิค quantum logic spectroscopy จึงสามารถสังเกตสถานะของอะลูมิเนียมไอออนได้ทางอ้อม
ปัจจัยสำคัญในการปรับปรุงสมรรถนะของระบบ
- การเคลื่อนไหวจิ๋วที่ไม่พึงประสงค์ในกับดักที่ใช้เก็บไอออน (Excess micromotion) เป็นสาเหตุให้ความแม่นยำลดลง
- การปรับปรุงโครงสร้างกับดัก: ใช้แผ่น diamond wafer ที่หนาขึ้น และปรับการชุบทองให้เหมาะสมเพื่อแก้ความไม่สมดุลของอิเล็กโทรด ทำให้ ลดการเคลื่อนไหวของไอออนให้น้อยที่สุด
- ห้องสุญญากาศก็ได้รับการออกแบบใหม่โดยใช้ วัสดุไทเทเนียมแทนเหล็กกล้า ลดความเข้มข้นของไฮโดรเจนภายในได้มากกว่า 150 เท่า จึงลดการชนของไอออนและการหยุดชะงักของการทดลองได้อย่างมาก
- การปรับปรุงเหล่านี้ทำให้รอบการรีโหลดขยายจาก 30 นาทีเป็นหลายวันอย่างมาก
เสถียรภาพของเลเซอร์และการลดเวลาการวัด
- การทำให้ได้ เสถียรภาพของเลเซอร์ ระดับสูงเป็นหัวใจสำคัญของการเพิ่มความแม่นยำ
- NIST ส่งเลเซอร์ที่มีความเสถียรระดับสูงสุดของโลก ซึ่งสร้างโดยห้องปฏิบัติการ JILA (กลุ่มของ Jun Ye) ไปยังห้องวิจัยนาฬิกาของ NIST ที่อยู่ห่างออกไป 3.6 กม. ผ่านใยแก้วนำแสง
- ใช้ frequency comb เปรียบเทียบคุณสมบัติของเลเซอร์ทั้งสองตัว จนท้ายที่สุดเลเซอร์ของนาฬิกาได้รับเสถียรภาพเทียบเท่าเลเซอร์ของห้องแล็บ Ye
- ด้วยเหตุนี้ เวลาวัดไอออน (การวัดติ๊ก) จึงขยายจาก 150ms เป็น 1 วินาที ทำให้ ลดเวลาที่ต้องใช้เพื่อวัดถึงทศนิยมตำแหน่งที่ 19 จาก 3 สัปดาห์เหลือเพียง 1 วันครึ่ง
การมีส่วนร่วมและการใช้งานในอนาคตของนาฬิกาไอออน NIST
- สถิติความแม่นยำใหม่นี้จะเป็นรากฐานสำหรับ การนิยามหน่วยวินาทีมาตรฐานของโลกใหม่ในอนาคต รวมถึงการขยายการประยุกต์ใช้ไปยังหลากหลายสาขา เช่น ธรณีศาสตร์และฟิสิกส์แม่นยำสูง
- การอัปเกรดนาฬิกายังช่วยยกระดับความสามารถในฐานะ สภาพแวดล้อมทดลอง (testbed) ที่อาศัย quantum logic ได้อย่างมาก
- นาฬิการุ่นนี้สามารถถูกใช้เป็นเครื่องมือสำคัญในการสำรวจธรณีมาตร การตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของค่าคงที่ธรรมชาติ และ การวิจัยปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่อยู่นอกเหนือ Standard Model
- เมื่อใช้เวลาน้อยลง ก็เปิดโอกาสให้เกิดการวัดและการทดลองทางวิทยาศาสตร์รูปแบบใหม่
- ในอนาคต ยังสามารถเพิ่มจำนวนไอออนหรือประยุกต์ใช้ entanglement ระหว่างไอออน เพื่อยกระดับความสามารถในการวัดอย่างก้าวกระโดด
เอกสารอ้างอิง
- Mason C. Marshall และคณะ, "High-stability single-ion clock with 5.5×10−19 systematic uncertainty", Physical Review Letters, เผยแพร่ออนไลน์วันที่ 14 กรกฎาคม 2025, DOI: 10.1103/hb3c-dk28
1 ความคิดเห็น
ความเห็นจาก Hacker News
หากนำ時計แบบนี้สองเรือนมาวางข้างกัน แม้ความสูง (ตำแหน่งแนวตั้ง) จะต่างกันเพียงไม่กี่เซนติเมตร ก็สามารถวัดความต่างของแรงโน้มถ่วง/การหน่วงเวลาได้ น่าทึ่งมากที่เราอยู่ในยุคที่ถึงจะยังไม่ถึงระดับนี้ แต่ก็สามารถซื้อ cesium beam atomic clock ได้ในราคาหลายพันดอลลาร์ หรือแม้แต่ลองสร้างเองด้วยมือได้
นาฬิกาซีเซียมเทียบได้กับความละเอียดในการตรวจจับการเคลื่อนที่แนวตั้งระดับประมาณ 1 ไมล์ (1.6 กม.) จุดที่น่าสนุกของนาฬิกาซีเซียมคือสามารถขนสักสามเรือนใส่มินิแวนแล้วเอาไปใช้ตอนออกแคมป์ได้
http://leapsecond.com/great2005/
บอกว่าความแม่นยำระดับนี้น่าทึ่งมาก เลยสงสัยว่าถ้าจะสร้าง optical clock เองใน "ห้องแล็บที่มีอุปกรณ์ค่อนข้างพร้อมอย่างสมเหตุสมผล" มันจะยากและแพงแค่ไหน เห็นมี optical clock ขนาดประมาณไม่กี่แร็กวางขายในราคาสูงมาก เลยอยากรู้ว่าวัสดุยังแพงอยู่จริงหรือว่าแพงเพราะต้องใช้ความเชี่ยวชาญเฉพาะทางเท่านั้น
วิธีเปรียบเทียบนาฬิกาความเที่ยงตรงสูงแบบนี้เจ๋งมาก หวังว่าในอนาคตเราจะได้เห็น altimeter แบบไอน์สไตน์ใช้งานกันทั่วไป
สงสัยว่าการ “วัดการเปลี่ยนแปลงของตำแหน่งแนวตั้งเพียงไม่กี่เซนติเมตร” ทำได้จริงในช่วงเวลานานแค่ไหน ไม่แน่ใจว่าจะวัดได้แบบทันทีหรือไม่
สงสัยว่าความเที่ยงตรงจะพัฒนาไปได้ไกลแค่ไหนในทางปฏิบัติ สักวันหนึ่งจะเป็นไปได้ไหมที่จะใช้แรงโน้มถ่วงสังเกตสิ่งที่ไม่ใช่ระดับจักรวาล เช่น คลื่นความโน้มถ่วงหรือรูปแบบการแทรกสอดที่เกิดขึ้นเมื่อมีคนเดินผ่านข้าง ๆ
SKO BUFFS. เคยทำงานที่ NOAA อยู่พักหนึ่ง และชอบมากที่ได้เดินเล่นไปทำงานที่ NIST ซึ่งอยู่ในแคมปัสเดียวกัน เป็นอาคารที่เท่มาก แต่ตอนนี้ทั้งแคมปัสกำลังเสี่ยงถูกปิด
สรุปกระทู้เกี่ยวกับ atomic clock ที่เพิ่งมีไม่นานนี้
นาฬิกา atomic fountain เรือนใหม่เข้าร่วมกลุ่มที่ ‘ทำให้โลกเดินตามเวลา’ (NIST)
ความก้าวกระโดดของ nuclear clock เปิดยุคการวัดเวลาความเที่ยงตรงสูงขั้นสุด (NIST)
ในคอมเมนต์ของโพสต์แรก ผมยังสรุปโพสต์ที่สองไว้ด้วย โดยโพสต์ที่สองพูดถึงการพัฒนานาฬิกา atomic แบบใหม่ที่อิงกับนิวเคลียสของอะตอมแทนอิเล็กตรอน ไม่มีการพูดถึงความแม่นยำไว้ จึงอยากรู้ว่าเมื่อเทียบกับนาฬิกา “ion” ครั้งนี้แล้วจะเป็นอย่างไร
สำหรับนาฬิกา Al+ ความไม่แน่นอนที่ใหญ่ที่สุดคือผลของการหน่วงเวลาตามสัมพัทธภาพที่เกิดจากการที่ไอออนขยับเล็กน้อยภายใน ion trap ส่วนในนาฬิกา 229Th (thorium) ก็น่าจะได้รับผลแบบเดียวกัน แต่คิดว่ามวลอะตอมที่มากกว่าอาจช่วยกดผลกระทบนี้ได้
ในมุมของคนที่ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญ มีคำถามว่าวัดความแม่นยำของนาฬิกาได้อย่างไร ในเมื่อดูเหมือนต้องมีนาฬิกาที่แม่นยำกว่านั้นก่อน แล้วความแม่นยำของนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดในโลกวัดกันอย่างไร
สงสัยว่าวัดความแม่นยำของนาฬิกาอย่างไร ถ้านาฬิกาทุกเรือนมีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อย แบบนั้นไม่แปลว่าทุกเรือนก็ผิดหมดหรือ
ความแม่นยำของนาฬิกาขึ้นกับนิยาม จากนั้นจึงวัดความเที่ยงตรง ถ้าสร้างนาฬิกาสองเรือนแล้ววัดว่ามันคลาดจากกันเท่าไร ก็จะรู้ความเที่ยงตรงได้
ถ้านาฬิกาทั้งสองอยู่คนละตำแหน่ง ก็ทำการทดลองสนุก ๆ อย่างการวัดการหน่วงเวลาได้ด้วย เช่น
นี่เป็นคำถามสนุกที่มักโผล่มาเสมอเวลาพูดถึงนาฬิกาความเที่ยงตรงสูง
เราสร้างนาฬิกาแบบเดียวกันตั้งแต่สองเรือนขึ้นไป ตั้งเวลาให้ตรงกันและใช้งานพร้อมกัน หากเป็นนาฬิกาที่สมบูรณ์แบบ เวลาผ่านไปก็ไม่ควรต่างกัน แต่ในความเป็นจริงมันจะค่อย ๆ คลาดจากกัน (มีทั้งอคติแบบเป็นระบบและอคติแบบสุ่ม)
เมื่อดูความต่างนี้ จะพบว่าความคลาดเคลื่อนกระจายออกเหมือน ‘การเดินสุ่ม’ ถ้าทดลองด้วยนาฬิกาหลายเรือน ความแปรปรวนของความผิดพลาดจะบอกได้ว่านาฬิกาเรือนไหนดีกว่า
ต่อให้ไม่มีมาตรฐานสมบูรณ์แบบแบบสัมบูรณ์ ก็ยังวัดความเป็นสุ่มได้ด้วยการเปรียบเทียบนาฬิกาสองเรือน
ตั้งแต่ปี 1967 เป็นต้นมา มีการนิยามทางกายภาพของ 1 วินาทีไว้แล้ว
https://en.wikipedia.org/wiki/Second#Atomic_definition
ในทางปฏิบัติ สิ่งที่วัดไม่ใช่ ‘ความแม่นยำ’ ของนาฬิกา แต่คือ ‘ขนาดของสัญญาณรบกวน’ มากกว่า แหล่งกำเนิดนาฬิกาเองไม่ได้เปลี่ยนทางกายภาพ แต่มี noise ปนอยู่
ตัวอย่างเช่น สนามแม่เหล็กเล็กมากหรืออุณหภูมิที่เปลี่ยนไปนิดเดียวก็ทำให้อัตราการเดินของนาฬิกาเปลี่ยนได้ จึงต้องป้องกัน/ควบคุมให้มากที่สุด อิทธิพลที่ยังเหลืออยู่จะคำนวณชดเชย และค่านี้ก็คือความแม่นยำ
ถ้าอยากวัดโดยตรง ก็อาจซิงก์นาฬิกาแบบเดียวกันสองเรือน แล้วปล่อยให้เวลาผ่านไปก่อนนำมาเปรียบเทียบกัน (แน่นอนว่าต้องคำนึงถึงผลจากทฤษฎีสัมพัทธภาพด้วย)
เวลาเป็นสิ่งที่นิยามจากปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ไม่เปลี่ยนแปลง
ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนทุกตัวเหมือนกันอย่างสมบูรณ์ ดังนั้นจึงใช้คุณสมบัตินี้สร้างมาตรฐานเวลาที่แม่นยำได้
สับสนว่าสิ่งนี้เป็น ‘นาฬิกา’ จริง ๆ หรือจริง ๆ แล้วเป็นเพียง ‘clock signal’ แบบเดียวกับตัวเข้ารหัสตำแหน่ง กล่าวคือมันทำหน้าที่เป็น ‘ค่าสัมบูรณ์’ ได้แค่ในช่วงหนึ่งเท่านั้นหรือไม่
optical atomic clock ที่อิงกับไอออนเดี่ยวที่กักไว้แบบนี้ หรือแบบ neutral atom lattice ไม่ได้สร้างสัญญาณนาฬิกาต่อเนื่องโดยตรง
แต่ต้องอาศัยเลเซอร์ (frequency comb) เพื่อแบ่งสัญญาณแสงระดับหลายร้อย THz ลงมาเป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ระดับ MHz~GHz
หากต้องการสัญญาณสำหรับแทนเวลาใช้งานจริงแบบต่อเนื่องสมบูรณ์ จะต้องมี optical clock หลายชุดร่วมกัน (ปัจจุบันทั้งแบบไอออนและอะตอมเป็นกลางยังสูญเสียอะตอมไปหมดได้ จึงต้องรีเซ็ตบ่อย)
สัญญาณต่อเนื่องเป็นหน้าที่ของเลเซอร์ โดยเลเซอร์นี้ทำงานในย่านอินฟราเรดบนพื้นฐานแก้ว erbium และ ytterbium และถูกปรับให้ตรงกับความถี่เรโซแนนซ์ของไอออน
ในช่วงเวลาสั้น ๆ การกรอง noise ทำได้ยาก ดังนั้นเสถียรภาพของความถี่จึงขึ้นกับคุณภาพของซิลิคอนเรโซเนเตอร์ (ต้องมีเงื่อนไขคุณภาพอย่างการทำให้เย็นมาก การส่งผ่านอินฟราเรด ฯลฯ)
คล้ายกับสัญญาณนาฬิกาในคอมพิวเตอร์ คือระยะยาวจะอยู่ในระดับการซิงก์กับภายนอกอย่าง NTP ส่วนระยะสั้นจะอยู่ในระดับ quartz oscillator ภายใน
optical ion clock ครั้งนี้มีความไม่แน่นอนของความถี่อ้างอิงต่ำที่สุดเท่าที่เคยมีมา แต่เพราะใช้งานไอออนที่กักไว้เพียงตัวเดียว จึงมี noise ระยะสั้นมากกว่าแบบ neutral atom lattice ที่ใช้อะตอมนับพันตัว
ดังนั้นสัญญาณเอาต์พุตจริงต้องนำมาเฉลี่ยเป็นเวลานานมาก (อย่างน้อยหลายวัน) จึงจะไปถึงความแม่นยำตามที่ระบุไว้
ความแม่นยำในช่วงสั้น (1 วินาที) ตอนนี้อยู่ที่ประมาณดีกว่านาฬิกาไมโครเวฟ cesium·hydrogen ที่ดีที่สุดราวหนึ่งพันเท่า แต่เพียงเฉลี่ยไปเรื่อย ๆ ก็จะไปถึงสมรรถนะของนาฬิกาไมโครเวฟรุ่นเดิมได้
นอกเหนือจากจุดเริ่มต้นระดับจักรวาลอย่าง Big Bang แล้ว มีมาตรฐานเวลาแบบสัมบูรณ์อยู่จริงหรือไม่ก็เป็นคำถามที่น่าสงสัย
สัญญาณนาฬิกาสามารถนับสะสมได้ทั้งหมด และในระยะยาวก็แม่นยำมาก ในเชิงแนวคิดก็สามารถสะสมสัญญาณได้ถึงระดับล้านล้านครั้งเหมือน rotary encoder (เพียงแต่โดยทั่วไป encoder มักไม่ค่อยนับสะสมแบบนั้น)
ชอบคำอธิบายที่บอกว่าเป็น ‘นาฬิกาที่ดีที่สุด’ ที่ทำจากเพชรกับทอง ให้ความรู้สึกเหมือน Minecraft มาก
ในบทความมีภาพที่น่าสนใจหลายภาพ เช่น ภาพของอุปกรณ์ต่าง ๆ อะลูมิเนียมเหนือกว่าซีเซียมอย่างชัดเจน แต่จัดการใช้งานจริงยาก และดูเหมือนว่าอุปสรรคที่เคยทำให้มันยังเป็นมาตรฐานไม่ได้ ตอนนี้ได้รับการแก้ไขแล้ว
พรีพรินต์
https://arxiv.org/abs/2504.13071("High-Stability Single-Ion Clock with $5.5\times10^{-19}$ Systematic Uncertainty")
หากต้องการเข้าถึง NIST NTP server แบบ authenticated จะต้องส่งจดหมายทางไปรษณีย์สหรัฐหรือ FAX เท่านั้น (ไม่อนุญาตอีเมล)
ทาง NIST ก็จะส่งข้อมูลคีย์ตอบกลับทางไปรษณีย์เท่านั้นเช่นกัน (ห้ามใช้อีเมลโดยเด็ดขาด)
แผนกที่ปกติรับไปรษณีย์และ FAX ตอนนี้มีข้อจำกัดในการเข้าถึง จึงอาจเกิดความล่าช้าอย่างมากในการดำเนินการคำขอ
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/nist-authenticated-ntp-service
(ผมรู้เรื่องนี้ตอนทำ FedRAMP implementation)
สงสัยว่า NIST จะพิจารณาใช้ NTS (Network Time Security) หรือไม่
https://github.com/jauderho/nts-servers/tree/main
สงสัยว่าผู้อยู่อาศัยต่างประเทศก็ได้รับอนุญาตให้ใช้ FAX ได้หรือไม่ สำหรับผู้ใช้นอกสหรัฐ กระบวนการนี้ดูค่อนข้างยุ่งยากพอสมควร