Đồng hồ nguyên tử luteti ở Singapore đạt độ chính xác 10⁻¹⁹ bằng cách nào?

Một chiếc đồng hồ nguyên tử không chính xác chỉ vì nó “tích tắc” rất nhanh. Điều quyết định là tần số dùng làm mốc có thể bị môi trường làm lệch bao nhiêu, và các sai lệch ấy được đánh giá tốt đến đâu. Tại Trung tâm Công nghệ Lượng tử (CQT) thuộc Đại học Quốc gia Singapore, nhóm của Murray Barrett báo cáo đồng hồ quang học dùng luteti có độ bất định tần số tương đối gần 1 × 10⁻¹⁹. Kết quả đăng trên Nature ngày 23/9/2026 được nhóm mô tả là mức chính xác cao nhất từng được báo cáo cho loại đồng hồ này.306

Từ một ion đến mốc đo thời gian

Mỗi đồng hồ sử dụng một ion luteti-176 mang điện. Tia laser thăm dò một chuyển mức quang học ở bước sóng 848 nanomet để tạo mốc tần số. Nhưng chuyển mức quang học không tự loại bỏ sai số: trường điện từ và bức xạ nhiệt vẫn có thể làm thay đổi tần số cần đo.72521

Để xử lý một phần vấn đề, nhóm theo đuổi kỹ thuật lấy trung bình cấu trúc siêu tinh tế. Thay vì chỉ dựa vào một trạng thái bên trong nguyên tử, họ kết hợp các phép đo trên những trạng thái liên quan, nhờ đó một số dịch chuyển phụ thuộc trạng thái có thể triệt tiêu nhau. Hướng nghiên cứu này đã xuất hiện trong kế hoạch của nhóm từ năm 2015 và sau đó được trình diễn trên đồng hồ luteti nhiều ion bằng kỹ thuật điều khiển động.29152

Những nguồn sai lệch khác vẫn cần được xử lý riêng. Trong nghiên cứu năm 2019 với ba ion, nhóm đo và giảm chênh lệch tần số giữa các ion, trong đó có tác động liên quan đến mômen tứ cực điện. Các nghiên cứu về luteti cũng xem xét ảnh hưởng của bức xạ nhiệt và gradient điện trường. Nói cách khác, kết quả không có nghĩa luteti miễn nhiễm với mọi thay đổi của môi trường.1821

Hai con số 10⁻¹⁹ không nói cùng một điều

Mức gần 1 × 10⁻¹⁹ là độ bất định tần số tương đối được báo cáo cho mốc của đồng hồ. Nhóm còn đối chiếu hai đồng hồ một ion được chế tạo độc lập, với độ bất định của phép so sánh là 5,7 × 10⁻¹⁹. Phép đối chiếu kiểm tra xem hai mốc tần số có phù hợp với nhau hay không; con số lớn hơn này không phải cách diễn đạt khác của độ bất định ở từng đồng hồ.6524

Nhóm từng sử dụng phổ học tương quan để so sánh các mốc tần số luteti. Cách làm này giảm ảnh hưởng của nhiễu từ laser thăm dò, giúp nhận ra chênh lệch rất nhỏ giữa hai đồng hồ. Tuy vậy, nó không tự loại trừ một sai lệch có hệ thống giống nhau ở cả hai. Thời lượng so sánh 200 giờ được nêu trong phần mô tả câu hỏi ban đầu, nhưng các trích đoạn nguồn được cung cấp không xác nhận độc lập thời lượng đó hoặc toàn bộ bảng đánh giá độ bất định.2628

Câu nói đồng hồ chỉ sai chưa đến một giây sau hơn 260 tỷ năm cũng là phép ví von, không phải kết quả quan sát trong khoảng thời gian ấy. Nếu giả định sai số tương đối không đổi ở mức 1 × 10⁻¹⁹, phép tính cho khoảng một giây sau 317 tỷ năm; với mức 1,2 × 10⁻¹⁹, con số là khoảng 264 tỷ năm. Các bài tường thuật sử dụng cả hai mức, nên phép ví von phụ thuộc vào mức được chọn.64

Chính xác hơn chưa có nghĩa là sẵn sàng thay chuẩn giây

Mốc quang học có độ bất định thấp có thể đóng góp cho việc định nghĩa lại giây trong tương lai. Tuy nhiên, kết quả từ một phòng thí nghiệm chưa đủ để chứng minh khả năng tái lập giữa các phòng thí nghiệm hoặc quyết định chuyển mức nguyên tử nào sẽ trở thành chuẩn mới. Những nguồn được cung cấp cũng không xác nhận một lịch trình chính thức cho thay đổi đó.3024

Ở mức chính xác này, vị trí đặt đồng hồ cũng trở thành một phần của phép đo: gần bề mặt Trái Đất, chênh lệch độ cao 1 milimét tương ứng với dịch chuyển tần số do hấp dẫn vào khoảng 1,1 × 10⁻¹⁹. Vì thế, muốn so sánh đồng hồ ở hai địa điểm, nhà nghiên cứu phải biết chênh lệch thế hấp dẫn giữa chúng. Còn để biến thiết bị thành đồng hồ có thể vận chuyển, nhóm sẽ phải tiếp tục kiểm soát ion, laser và các tác động môi trường, rồi đánh giá lại độ bất định sau khi di chuyển.521