NIST आयन घड़ी ने दुनिया की सबसे सटीक घड़ी का नया रिकॉर्ड बनाया

 (nist.gov)
1 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2025-07-17 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • NIST शोधकर्ताओं ने aluminum ion clock की precision में बड़ा सुधार कर दुनिया की सबसे अधिक accuracy का नया रिकॉर्ड बनाया
  • इसने पिछले रिकॉर्ड की तुलना में 41% अधिक accuracy और अन्य ion clocks की तुलना में 2.6 गुना बेहतर stability हासिल की
  • aluminum-magnesium ion pair की 'quantum logic spectroscopy' जैसी नवाचारी तकनीक, vacuum system optimization, और laser upgrade के ज़रिए प्रमुख performance सुधार हासिल किए गए
  • दशकों के शोध के बाद अब 1 second को 10^-19 स्तर तक मापा जा सकता है, जिससे अगली पीढ़ी की समय-इकाई की परिभाषा और quantum physics की प्रगति में योगदान की उम्मीद है
  • measurement time में कमी के कारण व्यापक Earth science और standard model से आगे की नई physics research में भी इसके उपयोग की संभावना है

NIST आयन घड़ी के performance में सुधार और नया रिकॉर्ड

  • अमेरिका के National Institute of Standards and Technology (NIST) के शोधकर्ताओं ने aluminum ion-आधारित atomic clock के performance में सुधार करके दुनिया की सबसे ऊंची accuracy हासिल की
  • इस घड़ी ने दशमलव के बाद 19 अंकों तक समय मापने की accuracy हासिल की
  • पिछले 20 वर्षों में हुए लगातार performance upgrades के परिणामस्वरूप, इसने पहले के विश्व रिकॉर्ड की तुलना में 41% अधिक accuracy और 2.6 गुना अधिक stability दिखाई
  • यह laser, ion trap, vacuum chamber सहित सभी components में सूक्ष्म सुधार का परिणाम है
  • परिणाम Physical Review Letters में प्रकाशित हुए हैं

aluminum ion clock का सिद्धांत और नवाचार

  • aluminum ion बहुत नियमित और high-frequency 'tick' विशेषता दिखाता है, इसलिए यह समय मापन के लिए बेहद उपयुक्त है
  • यह पहले 1 second की परिभाषा में उपयोग किए गए cesium की तुलना में अधिक stable frequency प्रदान करता है
  • यह आसपास के तापमान या magnetic field जैसे environmental changes के प्रति कम संवेदनशील होने के कारण और बेहतर है
  • लेकिन aluminum में laser से detect और cool करना कठिन होने के कारण, इसे पूरक करने के लिए magnesium ion के साथ एक 'buddy system' अपनाया गया
  • magnesium को laser से अच्छी तरह नियंत्रित और ठंडा किया जा सकता है, और quantum logic spectroscopy तकनीक के माध्यम से aluminum ion की state का अप्रत्यक्ष अवलोकन किया जा सकता है

system performance सुधार के प्रमुख तत्व

  • trap, जिसमें ion को रखा जाता है, उसमें होने वाली अनावश्यक सूक्ष्म गति (Excess micromotion) accuracy में गिरावट का कारण थी
  • trap structure improvement: अधिक मोटे diamond wafer का उपयोग और electrodes के imbalance को ठीक करने के लिए gold coating optimization के ज़रिए ion movement को न्यूनतम किया गया
  • vacuum chamber को भी पुराने steel के बजाय titanium material से redesign किया गया, जिससे अंदर hydrogen concentration 150 गुना से अधिक कम हुई और ion collisions तथा experiment interruptions में बड़ी कमी आई
  • इन सुधारों से reloading cycle 30 minutes से बढ़कर कई दिनों तक हो गया

laser stability और measurement time में कमी

  • उच्च स्तर की laser stability हासिल करना accuracy सुधार की कुंजी है
  • NIST की JILA laboratory (Jun Ye group) में बनाया गया विश्व-स्तरीय stable laser, optical fiber के माध्यम से 3.6 km दूर स्थित NIST clock laboratory तक भेजा गया
  • optical frequency comb का उपयोग करके दो lasers की विशेषताओं की तुलना की गई, और अंततः clock का laser, Ye laboratory के laser की stability प्राप्त कर सका
  • इसकी बदौलत ion measurement time ('tick' measurement) 150 ms से बढ़कर 1 second हो गया, जिससे दशमलव के 19वें अंक तक मापन का समय 3 weeks से घटकर 1.5 days रह गया

NIST आयन घड़ी का भविष्य में योगदान और उपयोग

  • accuracy का यह नया रिकॉर्ड आगे चलकर दुनिया के मानक second की परिभाषा के पुनर्निर्धारण, Earth science, precision physics और अन्य क्षेत्रों में अनुप्रयोग विस्तार की नींव प्रदान करता है
  • clock upgrade ने quantum logic-आधारित experimental environment (testbed) के रूप में इसकी क्षमता भी काफी बढ़ा दी है
  • geodesy, natural constants में बदलाव की संभावना जैसे standard model से आगे के physical phenomena के शोध में यह घड़ी एक प्रमुख tool बन सकती है
  • कम समय लगने से नए scientific measurements और experiments के अवसर खुलते हैं
  • आगे चलकर इसमें अधिक ions जोड़े जा सकते हैं या ions के बीच entanglement लागू करके measurement capability को नाटकीय रूप से बढ़ाया जा सकता है

संदर्भ शोधपत्र

  • Mason C. Marshall और अन्य, "High-stability single-ion clock with 5.5×10−19 systematic uncertainty", Physical Review Letters, 14 जुलाई 2025 को ऑनलाइन प्रकाशित, DOI: 10.1103/hb3c-dk28

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2025-07-17
Hacker News की राय

  • अगर इन घड़ियों में से दो को साथ-साथ रखा जाए, तो ऊंचाई (vertical position) में सिर्फ कुछ सेंटीमीटर का अंतर भी गुरुत्वाकर्षण/समय-विलंब के फर्क से मापा जा सकता है। यह भी हैरान करने वाली बात है कि भले सीधे इस स्तर पर नहीं, लेकिन हम ऐसे दौर में जी रहे हैं जहां cesium beam atomic clock कुछ हज़ार डॉलर में खरीदी जा सकती है और हाथ से बनाई भी जा सकती है

    • cesium clock की तुलना लगभग 1 मील (1.6km) स्तर की vertical movement resolution से की जा सकती है। cesium clock की मज़ेदार बात यह है कि इन्हें लगभग तीन की संख्या में minivan में लादकर कैंपिंग पर भी ले जाया जा सकता है
      http://leapsecond.com/great2005/

    • आपने कहा कि इस स्तर की precision चौंकाने वाली है, तो यह जानने की जिज्ञासा है कि अगर कोई "उचित रूप से अच्छी तरह सुसज्जित research lab" अपना optical clock खुद बनाए, तो वह कितना कठिन और महंगा होगा। बाज़ार में rack-size optical clocks काफी ऊंची कीमत पर बिक रही हैं; समझ नहीं आता कि सामग्री अब भी इतनी महंगी है या मामला सिर्फ विशेषज्ञता का है

    • ultra-precise clocks की तुलना करने का यह तरीका बहुत शानदार है। उम्मीद है कि आगे Einstein-style altimeters हर जगह देखने को मिलेंगे

    • यह जानने की जिज्ञासा है कि “vertical position में कुछ सेंटीमीटर के बदलाव की माप” वास्तव में कितने समय में संभव है। यह तुरंत मापा जा सकता है या नहीं, इस पर भरोसा नहीं है

    • यह भी सोचने लायक है कि आगे वास्तविक रूप से precision कितनी बढ़ सकती है। क्या कभी ऐसा समय आएगा जब गुरुत्वाकर्षण का उपयोग करके ब्रह्मांडीय पैमाने के बजाय रोज़मर्रा की दुनिया में, जैसे किसी व्यक्ति के पास से गुज़रने पर पैदा होने वाली gravitational waves या interference patterns तक देखे जा सकें

  • SKO BUFFS. मैंने कुछ समय NOAA में काम किया था, और उसी campus में मौजूद NIST में टहलते हुए काम करना मुझे बहुत पसंद था। इमारतें बेहद शानदार थीं। लेकिन अब पूरा campus बंद होने के खतरे में है

    • थोड़ा संबंधित है, लेकिन यह उल्लेख करना चाहता हूं कि Rhode Island के Newport Naval Base में NOAA की नई marine operations facility का निर्माण जारी है। एक तरफ कुछ जगहों को बंद करने की चर्चा और दूसरी तरफ नई construction—यह देख कर सोचता हूं कि क्या इसके पीछे कोई सार्थक पैटर्न या तर्क है

  • हाल की atomic clock चर्चाओं का एक सारांश।

  • गैर-विशेषज्ञ के नज़रिए से सवाल उठता है कि अगर किसी घड़ी की accuracy मापनी है, तो क्या उससे भी अधिक accurate घड़ी नहीं चाहिए? दुनिया की सबसे accurate घड़ी की accuracy आखिर मापी कैसे जाती है

    • उदाहरण के लिए कई घड़ियां बनाकर उन्हें आपस में compare किया जा सकता है

  • यह जानने की जिज्ञासा है कि घड़ी की accuracy कैसे मापी जाती है। अगर हर घड़ी में सूक्ष्म त्रुटि हो, तो क्या सब घड़ियां गलत नहीं हैं

    • घड़ी की accuracy को definition के आधार पर तय किया जाता है, उसके बाद precision मापी जाती है। दो घड़ियां बनाकर यह मापा जाए कि वे एक-दूसरे से कितना deviate करती हैं, तो precision का पता चलता है.
      अगर दोनों घड़ियां अलग-अलग स्थानों पर हों, तो measurable time dilation जैसे दिलचस्प प्रयोग भी संभव हैं। उदाहरण के लिए

      • अलग-अलग तत्वों की दो घड़ियों से यह मापा जा सकता है कि तथाकथित 'constants of the universe' बदल रहे हैं या नहीं
      • घड़ी की orientation (जैसे उसे बगल की तरफ लिटाना) के हिसाब से फर्क आता है या नहीं, यह देखकर ब्रह्मांड में किसी 'preferred direction' की जांच
      • कुछ सिद्धांतों के अनुसार dark matter घड़ी की frequency में बदलाव ला सकता है, इसलिए दूर-दूर रखी घड़ियों के साथ spatial dark matter density modulation खोजने के प्रयोग
      • घड़ी को stabilize करने के लिए tune किए गए सभी factors (जैसे magnetic field) में होने वाले बदलाव भी देखे जा सकते हैं, इसलिए घड़ी एक high-sensitivity magnetometer भी बन जाती है

    • precision clock की बात होने पर यह हमेशा आने वाला मज़ेदार सवाल है।
      एक जैसी दो या अधिक घड़ियां बनाई जाती हैं और एक साथ समान समय पर set की जाती हैं। अगर घड़ी perfect हो तो समय बीतने पर भी कोई अंतर नहीं होना चाहिए, लेकिन वास्तविकता में वे धीरे-धीरे अलग होने लगती हैं (systematic bias और random bias दोनों मौजूद होते हैं)।
      इस अंतर को देखने पर घड़ी की error ऐसे फैलती दिखती है जैसे कोई 'random walk' हो। कई घड़ियों के साथ प्रयोग करने पर error variance बता सकता है कि कौन-सी घड़ी बेहतर है।
      किसी पूर्ण absolute standard के बिना भी दो घड़ियों की तुलना करके randomness मापी जा सकती है

    • 1967 से 1 second की physical definition लागू है
      https://en.wikipedia.org/wiki/Second#Atomic_definition

    • असल में घड़ी की 'accuracy' नहीं बल्कि 'noise का परिमाण' मापा जाता है। घड़ी का स्रोत स्वयं भौतिक रूप से नहीं बदलता, लेकिन उसमें noise मिल जाता है।
      उदाहरण के लिए बहुत सूक्ष्म magnetic field, तापमान में बदलाव आदि भी घड़ी की गति बदल सकते हैं, इसलिए इन्हें अधिकतम रोकना/नियंत्रित करना ज़रूरी है। जो प्रभाव बचते हैं, उन्हें गणना से correct किया जाता है, और यही मान accuracy है।
      अगर सीधे मापना हो, तो एक जैसी दो घड़ियों को synchronize करके कुछ समय बाद उनकी तुलना की जा सकती है (relativity के प्रभाव को भी ध्यान में रखना होगा)

    • समय को अपरिवर्तनीय भौतिक घटनाओं के आधार पर परिभाषित किया जाता है।
      उदाहरण के लिए सभी electrons पूरी तरह समान होते हैं, इसलिए ऐसे गुणों का उपयोग करके सटीक समय मानक बनाया जा सकता है

  • यह थोड़ा भ्रम है कि इसे 'clock' कहा जाए या position encoder की तरह केवल 'clock signal' माना जाए। यानी क्या यह सिर्फ किसी सीमित दायरे में ही 'absolute value' जैसी भूमिका निभाता है

    • इस तरह के trapped single-ion, या neutral atom lattice आधारित optical atomic clocks लगातार clock signal स्वयं उत्पन्न नहीं करते।
      इसके बजाय laser (frequency comb) की ज़रूरत होती है। यह सैकड़ों THz के optical signal को MHz~GHz स्तर के electronic signal में विभाजित करता है।
      समय-प्रदर्शन के लिए पूरी continuity वाली signal clock पाने हेतु कई optical clocks चाहिए होती हैं (अभी ion और neutral atom दोनों खो जाते हैं, इसलिए बार-बार reset करना पड़ता है)।
      continuous signal का काम laser करती है। यह erbium, ytterbium glass आधारित infrared पर चलती है और ion की resonance frequency से मेल खाती है।
      छोटे समय-अंतराल में noise को फ़िल्टर करना मुश्किल होता है, इसलिए frequency stability silicon resonator की quality पर निर्भर करती है (बहुत कम तापमान पर cooling, infrared transmission आदि quality conditions)।
      कंप्यूटर के clock signal की तरह, long term में यह NTP आदि बाहरी synchronization जैसा है, और short term में internal quartz oscillator जैसा।
      यह optical ion clock reference frequency uncertainty को अब तक के सबसे निचले स्तर तक ले जाती है। लेकिन क्योंकि इसमें एक trapped ion इस्तेमाल होता है, इसलिए neutral atom lattice आधारित clocks (जो हज़ारों atoms का उपयोग करती हैं) की तुलना में short-term noise अधिक है।
      इसलिए घोषित accuracy तक पहुंचने के लिए वास्तविक output signal को बहुत लंबे समय तक, कम-से-कम कई दिनों तक, average करना पड़ता है।
      short term (1 second) accuracy मौजूदा सर्वोत्तम cesium·hydrogen microwave clocks की तुलना में लगभग हज़ार गुना स्तर पर है, लेकिन averaging करते ही यह मौजूदा microwave clocks के performance तक पहुंच जाती है

    • Big Bang जैसे किसी ब्रह्मांडीय शुरुआती बिंदु को छोड़ दें, तो क्या वास्तव में किसी absolute time standard का अस्तित्व है

    • clock signal को जोड़ा जा सकता है और सबको count किया जा सकता है, इसलिए long term में यह बहुत accurate होता है। rotational encoder की तरह खरबों signal pulses का accumulation भी सिद्धांततः संभव है (बस आम तौर पर encoders में ऐसा counting कम किया जाता है)

  • हीरे और सोने से बनी 'सबसे बेहतरीन घड़ी' वाला वर्णन अच्छा लगा। एकदम Minecraft जैसा एहसास है

  • लेख में device की तस्वीरों समेत कई रोचक images हैं। aluminum साफ तौर पर cesium से बेहतर है, लेकिन व्यावहारिक रूप से संभालना मुश्किल था; अब लगता है कि वे बाधाएं, जिनकी वजह से यह standard नहीं बन पाया था, इस बार दूर कर ली गई हैं

  • प्रीप्रिंट
    https://arxiv.org/abs/2504.13071("High-Stability Single-Ion Clock with $5.5\times10^{-19}$ Systematic Uncertainty")

  • अगर NIST NTP server पर authenticated access चाहिए, तो आपको ज़रूर अमेरिकी डाक या FAX से पत्र भेजना होगा (email की अनुमति नहीं है)।
    NIST key information का जवाब भी केवल डाक से भेजता है (email बिल्कुल नहीं)।
    जो विभाग सामान्यतः डाक·FAX प्राप्त करता है, वहां इस समय access सीमित है, इसलिए अनुरोधों के प्रसंस्करण में काफी देरी हो सकती है
    https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/nist-authenticated-ntp-service
    (fedramp लागू करते समय यह बात पता चली)

    • सोच रहा हूं कि क्या NIST कभी NTS(Network Time Security) अपनाने पर विचार करेगा
      https://github.com/jauderho/nts-servers/tree/main

    • यह भी जिज्ञासा है कि क्या विदेश में रहने वालों के लिए भी FAX मान्य है। अमेरिका के बाहर के users के लिए यह प्रक्रिया कुछ असुविधाजनक लगती है