- Các nhà nghiên cứu NIST đã nâng cao đáng kể độ chính xác của đồng hồ ion nhôm, lập kỷ lục mới về độ chính xác cao nhất thế giới
- Đạt độ chính xác cao hơn 41% so với kỷ lục trước đó và độ ổn định tốt hơn 2,6 lần so với các đồng hồ ion khác
- Những cải tiến chính đến từ các kỹ thuật đổi mới như 'quang phổ học logic lượng tử' của cặp ion nhôm-magie, cùng với việc tối ưu hệ thống chân không và nâng cấp laser
- Sau hàng chục năm nghiên cứu, giờ đây có thể đo 1 giây ở mức 10^-19, hứa hẹn đóng góp cho định nghĩa đơn vị thời gian thế hệ tiếp theo và sự phát triển của vật lý lượng tử
- Nhờ rút ngắn thời gian đo, đồng hồ này cũng được kỳ vọng sẽ được ứng dụng trong khoa học Trái Đất trên phạm vi rộng hơn và nghiên cứu vật lý mới vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn
Cải thiện hiệu năng và lập kỷ lục mới của đồng hồ ion NIST
- Nhóm nghiên cứu tại National Institute of Standards and Technology (NIST) của Mỹ đã cải thiện hiệu năng của đồng hồ nguyên tử dựa trên ion nhôm, đạt được mức chính xác cao nhất thế giới
- Đồng hồ này đạt độ chính xác đo thời gian đến 19 chữ số thập phân
- Đây là kết quả của các đợt nâng cấp hiệu năng liên tục trong 20 năm qua, cho thấy độ chính xác cao hơn 41% so với kỷ lục thế giới trước đó, đồng thời có độ ổn định cao hơn 2,6 lần
- Thành quả này đến từ việc cải tiến tỉ mỉ mọi thành phần, bao gồm laser, bẫy ion và buồng chân không
- Kết quả đã được công bố trên Physical Review Letters
Nguyên lý và đổi mới của đồng hồ ion nhôm
- Ion nhôm có đặc tính "tick" rất đều và ở tần số cao, nên đặc biệt phù hợp cho việc đo thời gian
- Nó cung cấp tần số ổn định hơn cesium, nguyên tố từng được dùng để định nghĩa 1 giây trước đây
- Nó cũng vượt trội hơn vì ít nhạy cảm với thay đổi môi trường như nhiệt độ xung quanh hay từ trường
- Tuy nhiên, do nhôm có đặc tính khó phát hiện và làm lạnh bằng laser, nhóm nghiên cứu đã áp dụng một "hệ thống bạn đồng hành" dùng thêm ion magie để bù đắp
- Magie có thể được điều khiển và làm lạnh tốt bằng laser, và thông qua kỹ thuật quang phổ học logic lượng tử, trạng thái của ion nhôm có thể được quan sát gián tiếp
Các yếu tố chính giúp cải thiện hiệu năng hệ thống
- Chuyển động vi mô dư thừa (Excess micromotion) trong bẫy nơi các ion được lưu giữ là nguyên nhân làm giảm độ chính xác
- Cải tiến cấu trúc bẫy: sử dụng wafer kim cương dày hơn và tối ưu mạ vàng để khắc phục sự mất cân bằng của điện cực, từ đó giảm thiểu chuyển động của ion
- Buồng chân không cũng được thiết kế lại bằng vật liệu titan thay cho thép trước đây, giúp giảm nồng độ hydro bên trong hơn 150 lần, nhờ đó giảm mạnh hiện tượng va chạm ion và gián đoạn thí nghiệm
- Nhờ các cải tiến này, chu kỳ nạp lại đã được kéo dài đáng kể từ 30 phút lên nhiều ngày
Độ ổn định của laser và rút ngắn thời gian đo
- Việc đảm bảo độ ổn định laser ở mức cao là chìa khóa để nâng cao độ chính xác
- Một laser cực kỳ ổn định, đẳng cấp hàng đầu thế giới, được chế tạo tại phòng thí nghiệm JILA của NIST (nhóm Jun Ye), đã được truyền qua cáp quang đến phòng thí nghiệm đồng hồ của NIST cách đó 3,6 km
- Sử dụng frequency comb quang học, nhóm nghiên cứu so sánh đặc tính của hai laser, và cuối cùng laser của đồng hồ đã đạt được độ ổn định tương đương laser của phòng thí nghiệm Ye
- Nhờ vậy, thời gian đo ion (đo "tick") đã được kéo dài từ 150ms lên 1 giây, giúp rút ngắn mạnh thời gian cần để đo đến chữ số thập phân thứ 19 từ 3 tuần xuống còn 1 ngày rưỡi
Những đóng góp và ứng dụng trong tương lai của đồng hồ ion NIST
- Kỷ lục độ chính xác mới này tạo nền tảng cho việc định nghĩa lại giây (second) chuẩn của thế giới trong tương lai, cũng như mở rộng ứng dụng sang nhiều lĩnh vực như khoa học Trái Đất và vật lý chính xác
- Việc nâng cấp đồng hồ cũng cải thiện đáng kể năng lực như một môi trường thí nghiệm (testbed) dựa trên logic lượng tử
- Đồng hồ này có thể trở thành công cụ cốt lõi cho nghiên cứu các hiện tượng vật lý vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn, như trắc địa học, hay kiểm tra liệu các hằng số tự nhiên có thay đổi hay không
- Do cần ít thời gian hơn, nó mở ra cơ hội cho các phép đo và thí nghiệm khoa học mới
- Trong tương lai, có thể tăng mạnh năng lực đo bằng cách đưa thêm nhiều ion vào hoặc áp dụng rối lượng tử giữa các ion (entanglement)
Bài báo tham khảo
- Mason C. Marshall và cộng sự, "High-stability single-ion clock with 5.5×10−19 systematic uncertainty", Physical Review Letters, đăng trực tuyến ngày 14 tháng 7 năm 2025, DOI: 10.1103/hb3c-dk28
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Nếu đặt hai chiếc đồng hồ này cạnh nhau, chỉ cần chênh lệch độ cao (vị trí theo phương thẳng đứng) vài centimet là đã có thể đo được khác biệt do trọng lực/giãn nở thời gian. Thật đáng kinh ngạc khi chúng ta đang sống trong thời đại mà dù chưa đến mức đó, vẫn có thể mua đồng hồ nguyên tử chùm cesium với giá chỉ vài nghìn đô la, thậm chí còn có thể tự chế bằng tay
Đồng hồ cesium có thể so sánh với độ phân giải dịch chuyển theo phương thẳng đứng ở mức khoảng 1 dặm (1,6km). Điểm thú vị của đồng hồ cesium là bạn có thể chất khoảng ba cái lên một chiếc minivan rồi mang đi cắm trại
http://leapsecond.com/great2005/
Tôi đã nói mức độ chính xác này thật đáng kinh ngạc, nhưng vậy thì nếu một "phòng thí nghiệm được trang bị khá đầy đủ" tự chế một đồng hồ quang học thì sẽ khó và tốn kém đến mức nào? Trên thị trường có bán vài mẫu đồng hồ quang học cỡ vài rack với giá rất đắt, nên tôi tò mò không biết là vật liệu bản thân nó vẫn còn đắt đỏ, hay chỉ đơn thuần là do đòi hỏi chuyên môn quá cao
Cách so sánh các đồng hồ siêu chính xác này thật tuyệt. Hy vọng sau này chúng ta sẽ thấy máy đo độ cao kiểu Einstein ở khắp nơi
Tôi tò mò không biết việc “đo thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng vài centimet” thực tế có thể làm được trong khoảng thời gian bao lâu. Tôi không chắc nó có thể đo gần như tức thì hay không
Tôi tự hỏi độ chính xác trên thực tế còn có thể cải thiện đến mức nào nữa. Thật khiến người ta hình dung liệu một ngày nào đó có thể dùng trọng lực để quan sát, không phải ở quy mô vũ trụ mà trong đời sống bình thường, chẳng hạn sóng hấp dẫn hay các mẫu giao thoa sinh ra khi có ai đó đi ngang qua bên cạnh hay không
SKO BUFFS. Tôi từng làm việc ngắn hạn ở NOAA, và rất thích chuyện có thể đi dạo sang NIST trong cùng khuôn viên. Tòa nhà cực kỳ ấn tượng. Nhưng giờ thì toàn bộ khuôn viên đang đối mặt nguy cơ bị đóng cửa
Tổng hợp một số thảo luận gần đây về đồng hồ nguyên tử.
Đồng hồ đài phun nguyên tử mới gia nhập nhóm “giữ thế giới đúng giờ” (NIST)
Bước nhảy vọt của đồng hồ hạt nhân mở ra kỷ nguyên đo thời gian siêu chính xác tối thượng (NIST)
Tôi cũng đã để lại phần tóm tắt bài thứ hai trong phần bình luận của bài đầu tiên; bài thứ hai nói về việc phát triển một loại đồng hồ nguyên tử “hạt nhân” mới dựa trên hạt nhân nguyên tử chứ không phải electron. Bài đó không nhắc đến độ chính xác, nên tôi thấy tò mò muốn so sánh độ chính xác của nó với đồng hồ “ion” lần này
Trong đồng hồ Al+, độ bất định lớn nhất là hiệu ứng giãn nở thời gian tương đối tính phát sinh khi ion chuyển động nhẹ bên trong bẫy ion. Đồng hồ 229Th (thorium) chắc cũng sẽ chịu ảnh hưởng tương tự, nhưng tôi nghĩ khối lượng nguyên tử lớn hơn có thể giúp giảm bớt phần nào
Từ góc nhìn của người không chuyên, tôi thắc mắc liệu để đo độ chính xác của một chiếc đồng hồ thì chẳng phải cần một chiếc còn chính xác hơn sao. Tôi muốn biết độ chính xác của chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới được đo như thế nào
Tôi tò mò đồng hồ được đo độ chính xác như thế nào. Nếu mọi đồng hồ đều có sai số nhỏ thì chẳng phải tất cả đều sai sao?
Độ chính xác của đồng hồ được xác định theo định nghĩa, sau đó người ta đo độ chính xác lặp lại/độ ổn định. Nếu tạo hai đồng hồ và đo xem chúng lệch nhau bao nhiêu thì sẽ biết được độ chính xác đó.
Nếu hai đồng hồ ở những vị trí khác nhau thì có thể làm các thí nghiệm thú vị như đo giãn nở thời gian. Ví dụ
Đây là câu hỏi vui rất hay xuất hiện mỗi khi nói về đồng hồ chính xác.
Người ta chế tạo từ hai chiếc đồng hồ giống hệt nhau trở lên, đặt cùng một thời điểm ban đầu rồi cho chúng chạy đồng thời. Nếu là đồng hồ hoàn hảo thì theo thời gian chúng sẽ không lệch nhau, nhưng trên thực tế chúng dần sai khác (vừa có sai lệch hệ thống vừa có sai lệch ngẫu nhiên).
Khi nhìn vào độ lệch này, sai số của đồng hồ lan ra như một kiểu “bước đi ngẫu nhiên”. Nếu làm thí nghiệm với nhiều đồng hồ, phương sai sai số sẽ cho thấy chiếc nào tốt hơn.
Ngay cả khi không có một chuẩn tuyệt đối hoàn hảo, vẫn có thể đo tính ngẫu nhiên bằng cách so sánh hai chiếc với nhau
Từ năm 1967 đã có định nghĩa vật lý cho 1 giây
https://en.wikipedia.org/wiki/Second#Atomic_definition
Về thực chất, thứ được đo không phải là “độ chính xác” của đồng hồ mà là “mức độ nhiễu”. Bản thân nguồn gốc của đồng hồ không thay đổi về mặt vật lý, nhưng bị trộn lẫn nhiễu.
Ví dụ những thay đổi cực nhỏ của từ trường, nhiệt độ... cũng có thể làm tốc độ đồng hồ thay đổi, nên cần che chắn/kiểm soát tối đa. Những ảnh hưởng còn lại được hiệu chỉnh bằng tính toán, và giá trị này chính là độ chính xác.
Nếu muốn đo trực tiếp, cũng có thể đồng bộ hai chiếc đồng hồ giống nhau rồi so sánh chúng sau một khoảng thời gian trôi qua (cũng cần tính đến ảnh hưởng của thuyết tương đối)
Thời gian được định nghĩa dựa trên các hiện tượng vật lý không đổi.
Ví dụ, vì mọi electron đều hoàn toàn giống nhau nên có thể dùng đặc tính đó để tạo ra chuẩn thời gian chính xác
Tôi hơi bối rối không biết đây là một “đồng hồ” thực sự, hay giống như trong bộ mã hóa vị trí, về bản chất chỉ là một “xung nhịp” mà thôi. Tức là liệu nó chỉ đóng vai trò như một “giá trị tuyệt đối” trong một phạm vi nhất định?
Các đồng hồ nguyên tử quang học dựa trên một ion đơn bị bẫy như thế này, hoặc dựa trên mạng nguyên tử trung hòa, thực ra không tự tạo ra một tín hiệu xung nhịp liên tục.
Thay vào đó cần có laser (
frequency comb). Nó chia tín hiệu quang học ở mức hàng trăm THz xuống thành tín hiệu điện tử cỡ MHz~GHz.Để có được một đồng hồ tín hiệu thực sự liên tục cho biểu diễn thời gian thực tế thì cần nhiều đồng hồ quang học (hiện nay ion hay nguyên tử trung hòa đều thường xuyên bị mất, nên phải đặt lại thường xuyên).
Tín hiệu liên tục do laser đảm nhiệm. Laser này hoạt động ở hồng ngoại dựa trên thủy tinh erbium, ytterbium và được khớp với tần số cộng hưởng của ion.
Ở các khoảng thời gian ngắn thì khó lọc nhiễu, nên độ ổn định tần số được quyết định bởi chất lượng của bộ cộng hưởng silicon (làm lạnh tới nhiệt độ rất thấp, truyền được hồng ngoại và các điều kiện chất lượng khác).
Giống như xung nhịp trong máy tính, về dài hạn nó chỉ ở mức đồng bộ với bên ngoài như NTP, còn về ngắn hạn thì ở mức bộ dao động thạch anh nội bộ.
Đồng hồ ion quang học lần này có độ bất định của tần số tham chiếu thấp nhất từ trước đến nay. Tuy nhiên vì nó dùng một ion bị bẫy duy nhất nên nhiễu ngắn hạn lớn hơn loại dựa trên mạng nguyên tử trung hòa (dùng hàng nghìn nguyên tử).
Vì vậy tín hiệu đầu ra thực tế phải được lấy trung bình trong thời gian rất dài (ít nhất vài ngày) mới đạt tới độ chính xác được công bố.
Độ chính xác ngắn hạn (1 giây) hiện vào khoảng gấp một nghìn lần so với các đồng hồ vi sóng cesium/hydrogen tốt nhất, nhưng chỉ cần lấy trung bình là đã đạt được hiệu năng của các đồng hồ vi sóng trước đây
Tôi tự hỏi ngoài một mốc khởi đầu vũ trụ như Big Bang thì liệu có thực sự tồn tại một chuẩn thời gian tuyệt đối hay không
Tín hiệu đồng hồ có thể được tích lũy và đếm toàn bộ, và về dài hạn thì cực kỳ chính xác. Về mặt khái niệm, cũng có thể tích lũy hàng nghìn tỷ xung giống như bộ mã hóa quay (chỉ là thông thường người ta hầu như không đếm kiểu đó với encoder)
Tôi thích cách họ mô tả đây là “chiếc đồng hồ tốt nhất” được làm từ kim cương và vàng. Cảm giác rất Minecraft
Bài báo có nhiều hình ảnh thú vị như ảnh thiết bị. Nhôm rõ ràng vượt trội hơn cesium nhưng khó xử lý trong thực tế, và có vẻ như lần này những rào cản từng khiến nó chưa thể trở thành tiêu chuẩn cuối cùng đã được giải quyết
Bản preprint
https://arxiv.org/abs/2504.13071("High-Stability Single-Ion Clock with $5.5\times10^{-19}$ Systematic Uncertainty")
Nếu muốn truy cập có xác thực vào máy chủ NTP của NIST, bạn bắt buộc phải gửi thư giấy hoặc FAX qua bưu điện Mỹ (không chấp nhận email).
NIST cũng chỉ hồi đáp thông tin khóa qua đường bưu điện (tuyệt đối không dùng email).
Bộ phận thường tiếp nhận thư và FAX hiện đang bị hạn chế tiếp cận, nên việc xử lý yêu cầu có thể bị chậm đáng kể
https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/nist-authenticated-ntp-service
(Tôi biết chuyện này khi triển khai FedRAMP)
Tôi tò mò không biết NIST có cân nhắc áp dụng NTS (Network Time Security) hay không
https://github.com/jauderho/nts-servers/tree/main
Tôi tự hỏi người sống ở nước ngoài có được phép dùng FAX hay không. Với người dùng ngoài Mỹ thì quy trình này có vẻ khá phiền phức