充電のような単純なタスクは、携帯電話の測定値に依存する理由

あなたが私のような人なら、あなたはほとんど常にあなたのスマートフォンを充電しています。気付いていないのは、物理学の最先端での繊細な量子測定に安全に行う能力が安全に依存するということです。

理由を理解するには、充電器を標準のアウトレットに接続すると何が起こるかを調べる必要があります。アウトレットから流れる電気は100ボルト以上を運びますが、充電器は、電気が携帯電話に到達するまでに、1ダースを持ち歩くように変換されるように設計されています。この電圧の減少がなければ、電話は燃え上がります。

言い換えれば、ボルトの正確な数は非常に具体的な方法で重要です。しかし、1つのボルトが何であるかをどのようにして知ることができますか？また、電圧を報告するときに、電話充電器のメーカーを信頼できることを確認しますか？

これは純粋に科学的な質問のように思えるかもしれませんが、米国では、ボルトには1904年に遡る法的定義があり、国立標準技術研究所（NIST）によって維持されています。他の多くの国には、英国の国家物理研究所など、同じことをする独自の国家計量単位があります。

ボルトに関しては、30年以上にわたり、NISTの定義は量子デバイスに基づいています。ここでは、メトロロジストは、断熱材によって分離された狭い超伝導領域の横断歩道のような配置である一連の超伝導ジャンクションから始まり、それを非常に特異的な周波数のマイクロ波にさらします。これにより、ジャンクション間に電圧の差を引き起こす純粋に量子効果が引き起こされます。その違いを構成するボルトの数は、宇宙の2つの基本定数に直接関連しています。これにより、研究者は、私たちが知る限り、私たちの物理的現実のまさに足場の一部である数値を活用して、ボルトとは何かを定義できます。

特に、この場合の2つの定数は、基本的な量子粒子である単一の電子の電荷と、光子のエネルギー（光の量子粒子）をその周波数に関連付けるプランク定数です。言い換えれば、携帯電話の充電から量子世界の最も基本的な材料へのラインは驚くほど短いです。

しかし、ボルトは量子領域に根ざしているだけではありません。実際、2018年には、世界中のメトロロジストが全会一致で投票し、国際ユニット（SIユニット）のいくつかのエントリを再定義することで、微視的な世界の詳細に密接に結びついています。

一部のユニットにとって、この変化は急進的で劇的でした。たとえば、キログラムは、絶滅の危機にあるヨーロッパのヤギの革でのみ公式に磨かれるプラチナ合金の塊であることから、プランクの定数、光の速度、特定の種類の原子時計内の電子が「カチカチ」する周波数の組み合わせの観点から定義されました。最近、医師のオフィスで規模を踏んだ場合、量子物理学は、そこで見た数に意味が割り当てられる方法の一部であることがわかります。

ユニットのより多くの量子の定義への動きは、過去数十年にわたって最小のスケールで世界を理解し、制御し、調査することになると、私たちが過去数十年にわたって行った信じられないほどの科学的進歩を反映しています。たとえば、1月に、コロラド大学ボルダー校のAlexander Aeppliと話をしました。 「頻度は人間がこれまでに測定した中で最高のものであり、私たちは頻度を測定するのに絶対的な最高です」と彼は私に言いました。これらのクロックの周波数は、原子内の異なるエネルギーの間で電子がジャンプする頻度で、量子物理学の法則によって支配されるプロセスをキャプチャします。

量子システムに対するこの顕著なレベルの制御、および人間は量子の「絶対的な最高」であり、単なる瞬間の非常に正確な定義を超えて利益をもたらします。たとえば、原子ベースのクロックは、地球の形状を正確に計算したり、地震や火山噴火の次の世代の早期警告システムでも使用することを見つけることができます。

Quantumに行くことは、世界最高の測定基準へのアクセスを民主化するのにも役立つ可能性があります。 2018年のSIユニットの再定義の前に、デバイスが正確で正しく調整されていることを認証したいと考えていたメーカー、研究者、および技術者は、多くの場合、専門家が認定を実施する地元のメトロロジー研究所に送らなければなりませんでした。現在、ユニットが認定されている基準は、洗練された十分な実験室を持っている人のために基本的に手に入れるための自然の側面です。 「以前は言っていたように、アイデアは自分自身を廃業することです」と、SIシステムを監督する国際Weights bureau of Weights bureau of Weights bureau of Weights bureau bureau of Weights bureauから引退したリチャードデイビスは言います。 「システム全体ははるかに柔軟性があり、ユーロ中心のものもはるかに少ない。」

「私たちはこのすべての機器を持っているので、人々は私たちのところに来ます。しかし、その再定義は人々が自分の機器を送っていないことから、私たちが取り組んできたことの1つであり、私たちは彼ら自身でそれを測定する方法を彼らに教えようとします」とNistのJason Underwoodは8月に私に語った。 「現在、このフレームワークが新しいSIの下にあります。あなたがやろうとしているのは、宇宙の基本的な定数にトレーサビリティを与えることができる楽器を作成することだけです。」

彼と彼の同僚は最近、ボルトを同時に含む3つの異なる電気ユニットを測定できる量子デバイスのプロトタイプをデビューさせました。スリーインワンの取引であることにより、このようなデバイスは、真にポータブルであれば、電子デバイスを関連する標準と比較することをはるかに簡単かつ手頃な価格にするでしょう。

歴史的に、私たちがユニットについて考える方法はますます多くの量を得ていますが、彼らの将来はどうなるでしょうか？それらのアンダーウッドや彼の同僚のような電気ユニットに関しては、Quantum Standardはまだ2番目またはキログラムと同じ方法で国際的に受け入れられておらず、そこに到達するためにさらに多くの実験を行う必要があります。 EUを拠点とするQuahmetコンソーシアムなど、同様のデバイスも世界の他の場所で開発されています。

2番目の未来も流動的であり、研究者はさらに改善され、再設計された原子ベースのクロックを構築し、時間の測定方法を再定義するために使用できることを実証するためです。 4月、私は、これらの脆弱な最先端の時計のいくつかと、日本からのもの、ドイツからのもの、けん引して、ティックを比較するという使命で壮大な旅に乗り出した研究者の国際チームについて報告しました。この作業も進行中ですので、将来の量子時計についてもっと書くことを期待しています。

しかし、メトロロジストが定義のより多くの安定性を求めているにもかかわらず、国家の資金調達政策と国際的な外交に密接に結びついているため、計測の仕事は本質的に不安定です。これは1875年に真実であり、測定に関する最初の国際条約の代表者が、フランコとプロイセンの戦争をきっかけにフランスとドイツの間の政治的緊張をナビゲートしなければならなかったときに当てはまりました。そして、それは今日も残っています – 私が8月にNISTの仕事を報告したとき、研究者との私の議論の一環は、2023年の研究が悪化していることがわかった機関のインフラストラクチャについてでした。トランプ政権は、今年初めにNISTの43％の予算削減を提案しました。議会は最終的に提案を拒否しましたが、このエピソードは、国家政治からのメトロロジー研究所の仕事を離婚することがどれほど難しいかを強調しています。