Hoe een lutetiumklok uit Singapore een onzekerheid van 10⁻¹⁹ bereikte

Een klok met een snelle trilling is niet automatisch een nauwkeurige klok. De kunst is om te weten hoeveel de gekozen trilling verschuift door bijvoorbeeld elektromagnetische velden en warmtestraling. Het team van Murray Barrett bij het Centre for Quantum Technologies in Singapore rapporteert voor zijn optische lutetiumklok een relatieve frequentieonzekerheid van ongeveer 1 × 10⁻¹⁹. Volgens de onderzoekers is dat de laagste waarde die tot nu toe voor een optische atoomklok is gemeld. Het resultaat verscheen op 23 september 2026 in Nature.306

Eén ion als maat voor de tijd

De klok gebruikt één elektrisch geladen lutetium-176-ion. Een laser onderzoekt een overgang in dat ion met een golflengte van 848 nanometer. Die overgang levert de frequentie waarmee de klok de tijd bijhoudt. Voor een betrouwbare tijdmaat moet het team tegelijk vaststellen hoe de omgeving die frequentie beïnvloedt.72521

Daarvoor lag al jaren onderzoek klaar. In een onderzoeksplan uit 2015 beschreef de groep hyperfijne middeling: door metingen aan verwante interne toestanden van het ion te combineren, kunnen bepaalde verschuivingen elkaar opheffen. Later demonstreerden de onderzoekers deze aanpak met een techniek die dynamische ontkoppeling heet, in een klok met meerdere lutetiumionen.29152

Niet elke verstoring verdwijnt daarmee. In 2019 mat en onderdrukte het team frequentieverschillen tussen ionen in een drie-ionenklok, onder meer verschillen die samenhingen met het elektrische quadrupoolmoment. Ook verschuivingen door warmtestraling en elektrische veldgradiënten zijn onderzocht. Lutetium is dus niet ongevoelig voor zijn omgeving; zulke effecten moeten worden begrepen en meegenomen in de onzekerheidsberekening.1821

Twee getallen, twee verschillende vragen

De circa 1 × 10⁻¹⁹ beschrijft de gerapporteerde onzekerheid van de frequentie van de klok zelf. Daarnaast vergeleek het team twee onafhankelijk gebouwde klokken met elk één ion. Voor die vergelijking rapporteerden de onderzoekers een onzekerheid van 5,7 × 10⁻¹⁹. Dat grotere getal zegt iets over hoe nauwkeurig hun onderlinge verschil kon worden bepaald; het is geen alternatieve waarde voor de nauwkeurigheid van één klok.6524

De groep heeft lutetiumreferenties ook vergeleken met correlatiespectroscopie. Die methode vermindert de invloed van ruis van de laser waarmee de ionen worden gemeten, zodat een klein verschil tussen de klokken beter zichtbaar wordt. Zij sluit niet vanzelf uit dat beide klokken dezelfde systematische afwijking hebben. In de oorspronkelijke vraag wordt een vergelijking van 200 uur genoemd, maar de aangeleverde bronfragmenten bevestigen die duur en de volledige onzekerheidsbegroting niet onafhankelijk.2628

De vergelijking met minder dan één seconde afwijking in ruim 260 miljard jaar is een rekenvoorbeeld, geen proef die zo lang duurde. Bij een voortdurend gelijkblijvende relatieve afwijking van 1 × 10⁻¹⁹ komt de rekensom uit op ongeveer één seconde in 317 miljard jaar. Bij 1,2 × 10⁻¹⁹ is dat ongeveer 264 miljard jaar. Welke formulering past, hangt dus af van het gebruikte onzekerheidscijfer.64

Waarom nauwkeuriger nog niet eenvoudiger betekent

Een optische klok op dit niveau kan bijdragen aan een toekomstige herdefinitie van de seconde. Eén resultaat uit één laboratorium bewijst echter nog niet dat andere laboratoria dezelfde prestatie kunnen herhalen, of dat juist lutetium de nieuwe standaard moet worden. De aangeleverde bronnen bevestigen geen officiële planning voor zo’n wijziging.3024

Bovendien gaat de plek van een klok meetellen. Dicht bij het aardoppervlak geeft één millimeter hoogteverschil door de zwaartekracht al een relatief frequentieverschil van ongeveer 1,1 × 10⁻¹⁹. Voor vergelijkingen tussen locaties moet daarom ook het verschil in zwaartekrachtspotentiaal bekend zijn. Een vervoerbare versie zou een volgende uitdaging vormen: na verplaatsing moeten de beheersing van ion, laser en omgevingsinvloeden én de berekende onzekerheid opnieuw standhouden.521