Jam atom lutetium Singapura: bagaimana ketepatan 10⁻¹⁹ dicapai?

Jam yang baik memerlukan lebih daripada atom yang bergetar pada frekuensi tetap. Penyelidik juga perlu mengenal pasti gangguan kecil yang boleh mengubah frekuensi itu. Di Pusat Teknologi Kuantum, Singapura, pasukan Murray Barrett melaporkan jam atom optik lutetium dengan ketidakpastian frekuensi relatif hampir 1 × 10⁻¹⁹. Hasil yang diterbitkan dalam Nature pada 23 September 2026 itu disifatkan oleh pasukan berkenaan sebagai tahap ketepatan tertinggi yang pernah dilaporkan bagi jam atom optik.306

Daripada satu ion kepada rujukan masa

Jam tersebut menggunakan satu ion lutetium-176, iaitu atom lutetium yang bercas. Laser menguji peralihan aras tenaga ion itu pada panjang gelombang 848 nanometer; frekuensi peralihan tersebut menjadi rujukan jam. Namun, frekuensi optik yang tinggi sahaja tidak menjamin ketepatan. Medan elektromagnet dan sinaran haba masih boleh mengalih frekuensi yang hendak diukur.72521

Di sinilah kerja pembangunan selama bertahun-tahun memainkan peranan. Seawal rancangan penyelidikan pada 2015, kumpulan Barrett mengenal pasti purata hiperhalus sebagai cara menjadikan peralihan lutetium sesuai untuk jam. Secara ringkas, mereka menggabungkan ukuran daripada beberapa keadaan dalaman atom supaya sebahagian anjakan yang bergantung pada keadaan itu saling mengimbangi. Kumpulan tersebut kemudian menunjukkan kaedah ini dalam jam lutetium berbilang ion.29152

Gangguan lain tetap perlu ditangani secara berasingan. Dalam kajian pada 2019, penyelidik mengukur dan mengurangkan perbezaan frekuensi antara ion dalam jam tiga ion, termasuk kesan yang berkaitan dengan momen kuadrupol elektrik. Kajian lutetium turut meneliti anjakan akibat sinaran haba dan kecerunan medan elektrik. Ertinya, lutetium bukanlah kebal terhadap semua perubahan persekitaran.1821

Dua angka yang membawa maksud berbeza

Angka hampir 1 × 10⁻¹⁹ merujuk kepada ketidakpastian frekuensi relatif bagi rujukan jam. Pasukan itu juga membandingkan dua jam satu ion yang dibina secara berasingan dan melaporkan ketidakpastian perbandingan 5.7 × 10⁻¹⁹. Ujian kedua ini memeriksa sama ada kedua-dua jam sepadan; angkanya yang lebih besar bukan ukuran lain bagi ketepatan sebuah jam.6524

Kumpulan tersebut menggunakan spektroskopi korelasi untuk membandingkan rujukan frekuensi lutetium. Teknik ini mengurangkan pengaruh hingar laser semasa perbandingan, lalu memudahkan perbezaan kecil antara jam dikesan. Namun, dua jam yang sepadan masih boleh berkongsi anjakan sistematik yang sama. Tempoh perbandingan 200 jam disebut dalam soalan asal tentang kajian ini, tetapi petikan sumber yang dibekalkan tidak mengesahkan tempoh itu atau keseluruhan perincian ketidakpastiannya secara berasingan.2628

Bagaimana pula dengan dakwaan jam ini hanya akan tersasar kurang daripada sesaat dalam 260 bilion tahun? Itu gambaran matematik, bukan pemerhatian sepanjang tempoh tersebut. Jika ralat relatif kekal pada 1 × 10⁻¹⁹, kiraannya kira-kira sesaat dalam 317 bilion tahun; pada 1.2 × 10⁻¹⁹, kira-kira 264 bilion tahun. Kedua-dua angka ketidakpastian muncul dalam laporan, maka analogi itu bergantung pada angka yang digunakan.64

Mengapa ukuran setepat ini masih mencabar

Rujukan optik yang lebih tepat boleh menyumbang kepada usaha mentakrifkan semula unit saat. Namun, hasil sebuah makmal sahaja belum membuktikan bahawa prestasinya boleh diulang di makmal lain, atau menentukan peralihan atom mana yang patut dijadikan piawaian. Bukti yang dibekalkan juga tidak mengesahkan jadual rasmi bagi perubahan tersebut.3024

Pada skala ketepatan ini, kedudukan jam turut mempengaruhi bacaan. Berhampiran permukaan Bumi, perbezaan ketinggian satu milimeter menghasilkan anjakan frekuensi akibat graviti sekitar 1.1 × 10⁻¹⁹. Membandingkan jam di dua lokasi, oleh itu, memerlukan pengetahuan tentang perbezaan potensi graviti antara lokasi tersebut. Jika jam ini mahu dijadikan mudah alih, kawalan terhadap ion, laser dan gangguan persekitaran perlu dikekalkan—kemudian tahap ketidakpastiannya mesti dibuktikan semula selepas dipindahkan.521