Jam ion NIST pecahkan rekor baru sebagai jam paling akurat di dunia

 (nist.gov)
1 poin oleh GN⁺ 2025-07-17 | 1 komentar | Bagikan ke WhatsApp
  • Tim peneliti NIST secara signifikan meningkatkan presisi jam ion aluminium dan mencetak rekor baru akurasi tertinggi di dunia
  • Mencapai akurasi 41% lebih tinggi dibanding rekor sebelumnya serta stabilitas 2,6 kali lebih baik dibanding jam ion lain
  • Peningkatan kinerja utama dicapai melalui teknologi inovatif seperti 'quantum logic spectroscopy' pada pasangan ion aluminium-magnesium, optimalisasi sistem vakum, dan peningkatan laser
  • Melalui penelitian selama puluhan tahun, kini dimungkinkan mengukur 1 detik hingga tingkat 10^-19, yang diharapkan berkontribusi pada definisi satuan waktu generasi berikutnya dan kemajuan fisika kuantum
  • Dengan waktu pengukuran yang lebih singkat, teknologi ini juga diharapkan dapat dimanfaatkan untuk ilmu bumi yang lebih luas dan penelitian fisika baru di luar model standar

Peningkatan kinerja dan pemecahan rekor jam ion NIST

  • Tim peneliti dari National Institute of Standards and Technology (NIST) di AS meningkatkan kinerja jam atom berbasis ion aluminium, sehingga mencapai akurasi tertinggi di dunia
  • Jam ini mencapai akurasi pengukuran waktu hingga 19 digit desimal
  • Hasil dari peningkatan kinerja berkelanjutan selama 20 tahun terakhir ini menunjukkan akurasi 41% lebih tinggi dibanding rekor dunia sebelumnya, sekaligus stabilitas 2,6 kali lebih tinggi
  • Ini merupakan hasil dari peningkatan terperinci pada semua komponen (laser, perangkap ion, ruang vakum, dan lainnya)
  • Hasilnya diterbitkan di Physical Review Letters

Prinsip dan inovasi jam ion aluminium

  • Ion aluminium menunjukkan karakteristik 'detak' yang sangat konsisten dan berfrekuensi tinggi, sehingga sangat cocok untuk pengukuran waktu
  • Ion ini memberikan frekuensi yang lebih stabil dibanding sesium, yang sebelumnya digunakan untuk mendefinisikan 1 detik
  • Ion ini juga lebih unggul karena tidak sensitif terhadap perubahan lingkungan seperti suhu sekitar atau medan magnet
  • Namun, karena aluminium sulit dideteksi dan didinginkan dengan laser, diterapkan 'sistem buddy' yang menggunakan ion magnesium untuk mengatasinya
  • Magnesium dapat dikendalikan dan didinginkan dengan baik menggunakan laser, dan melalui teknik quantum logic spectroscopy, keadaan ion aluminium dapat diamati secara tidak langsung

Faktor utama peningkatan kinerja sistem

  • Mikrogerak berlebih (Excess micromotion) yang tidak diinginkan pada perangkap tempat ion disimpan menjadi penyebab turunnya akurasi
  • Perbaikan struktur perangkap: penggunaan wafer berlian yang lebih tebal serta optimalisasi pelapisan emas untuk memperbaiki ketidakseimbangan elektroda sehingga gerakan ion diminimalkan
  • Ruang vakum juga didesain ulang menggunakan material titanium alih-alih baja, menurunkan konsentrasi hidrogen internal lebih dari 150 kali dan sangat mengurangi tumbukan ion serta gangguan eksperimen
  • Berkat peningkatan ini, siklus pemuatan ulang diperpanjang drastis dari 30 menit menjadi beberapa hari

Stabilitas laser dan pemendekan waktu pengukuran

  • Menjamin stabilitas laser berperforma tinggi adalah kunci peningkatan akurasi
  • Laser dengan stabilitas kelas dunia yang dibuat di laboratorium JILA milik NIST (grup Jun Ye) dikirim melalui serat optik ke laboratorium jam NIST yang berjarak 3,6 km
  • Dengan menggunakan optical frequency comb, karakteristik dua laser dibandingkan, dan pada akhirnya laser jam memperoleh stabilitas laser dari laboratorium Ye
  • Berkat hal ini, waktu pengukuran ion (pengukuran detak) diperpanjang dari 150 ms menjadi 1 detik, sehingga waktu yang dibutuhkan untuk mengukur hingga digit desimal ke-19 dipangkas drastis dari 3 minggu menjadi 1,5 hari

Kontribusi dan pemanfaatan masa depan jam ion NIST

  • Rekor akurasi baru ini memberikan landasan untuk pendefinisian ulang satuan detik (second) standar dunia di masa depan serta perluasan aplikasi ke berbagai bidang seperti ilmu bumi dan fisika presisi
  • Peningkatan jam ini juga sangat meningkatkan kemampuan sebagai lingkungan eksperimen (testbed) berbasis logika kuantum
  • Jam ini dapat digunakan sebagai alat kunci untuk penelitian fenomena fisika di luar model standar, seperti geodesi Bumi dan perubahan konstanta alam
  • Karena waktu yang dibutuhkan menjadi lebih singkat, terbuka peluang untuk pengukuran dan eksperimen ilmiah baru
  • Ke depan, kemampuan pengukuran dapat ditingkatkan secara drastis dengan memasukkan lebih banyak ion atau menerapkan entanglement antar ion

Makalah referensi

  • Mason C. Marshall dkk., "High-stability single-ion clock with 5.5×10−19 systematic uncertainty", Physical Review Letters, diterbitkan online pada 14 Juli 2025, DOI: 10.1103/hb3c-dk28

Bacaan terkait

1 komentar

 
GN⁺ 2025-07-17
Komentar Hacker News

  • Jika dua jam seperti ini diletakkan berdampingan, perbedaan ketinggian (posisi vertikal) hanya beberapa sentimeter saja sudah bisa diukur lewat perbedaan gravitasi/dilatasi waktu. Menakjubkan bahwa kita hidup di era ketika, meski tidak sampai level seperti ini, jam atom cesium beam bisa dibeli dengan harga beberapa ribu dolar dan bahkan bisa dibuat sendiri dengan tangan

    • Jam cesium sebanding dengan resolusi perpindahan vertikal sekitar 1 mil (1,6 km). Hal yang menarik dari jam cesium adalah Anda bisa memuat sekitar tiga unit ke dalam minivan untuk dipakai saat pergi berkemah
      http://leapsecond.com/great2005/

    • Tadi disebut bahwa tingkat presisi seperti ini luar biasa, jadi saya penasaran seberapa sulit dan mahalnya jika sebuah "laboratorium yang cukup lengkap" mencoba membuat jam optik sendiri. Ada beberapa jam optik seukuran rak yang dijual di pasar dengan harga sangat mahal, dan saya penasaran apakah materialnya sendiri masih mahal, atau apakah semata-mata karena kebutuhan keahlian khusus

    • Cara membandingkan jam superpresisi seperti ini sangat keren. Saya berharap ke depan kita bisa melihat altimeter ala Einstein di mana-mana

    • Saya penasaran, untuk perubahan "posisi vertikal beberapa sentimeter" itu sebenarnya bisa diukur dalam rentang waktu berapa lama. Saya tidak yakin apakah ini bisa diukur seketika

    • Saya penasaran seberapa jauh presisi ini secara realistis masih bisa ditingkatkan di masa depan. Rasanya membuat saya membayangkan apakah suatu hari nanti kita benar-benar bisa menggunakan gravitasi untuk melihat hal-hal dalam kehidupan sehari-hari, bukan skala kosmik, misalnya gelombang gravitasi atau pola interferensi yang timbul saat seseorang lewat di samping kita

  • SKO BUFFS. Saya pernah bekerja sebentar di NOAA, dan saya sangat menyukai bisa berjalan-jalan lalu bekerja di NIST yang berada di kampus yang sama. Gedungnya sangat keren. Tapi sekarang seluruh kampus itu terancam ditutup

    • Agak terkait, tapi saya ingin menyebutkan bahwa pembangunan fasilitas operasi kelautan baru NOAA di pangkalan angkatan laut Newport, Rhode Island, masih terus berjalan. Di sisi lain, saya jadi penasaran apakah ada pola atau logika tertentu yang bermakna ketika pembahasan penutupan sebagian berlangsung bersamaan dengan pembangunan baru

  • Saya merangkum beberapa diskusi terbaru tentang jam atom.

  • Dari sudut pandang orang awam, saya bertanya-tanya apakah untuk mengukur akurasi sebuah jam, bukankah kita memerlukan jam yang lebih akurat daripada itu. Saya penasaran bagaimana akurasi jam paling akurat di dunia diukur

    • Misalnya, Anda bisa membuat beberapa jam lalu membandingkannya satu sama lain

  • Saya penasaran bagaimana akurasi jam diukur. Jika semua jam punya kesalahan kecil, bukankah berarti semuanya salah

    • Akurasi jam ditentukan oleh definisi, lalu yang diukur adalah presisinya. Jika Anda membuat dua jam dan mengukur seberapa jauh keduanya menyimpang satu sama lain, Anda bisa mengetahui presisinya.
      Jika kedua jam ditempatkan di lokasi yang berbeda, eksperimen menarik seperti dilatasi waktu yang bisa diukur juga menjadi mungkin. Misalnya

      • Dengan dua jam dari elemen yang berbeda, kita bisa mengukur apakah nilai yang disebut 'konstanta alam semesta' berubah
      • Dengan mengamati apakah ada perbedaan tergantung orientasi jam (misalnya dibaringkan menyamping), kita bisa meneliti apakah alam semesta punya 'arah tertentu'
      • Menurut beberapa teori, materi gelap bisa menyebabkan perubahan pada frekuensi jam, sehingga orang melakukan eksperimen dengan menempatkan jam berjauhan untuk mencari modulasi kepadatan materi gelap secara spasial
      • Kita juga bisa mengamati perubahan pada semua faktor yang disetel untuk menstabilkan jam (misalnya medan magnet), sehingga jam itu juga menjadi alat ukur medan magnet yang sangat sensitif

    • Ini pertanyaan menarik yang hampir selalu muncul saat membahas jam presisi.
      Orang membuat dua atau lebih jam yang identik, lalu menjalankannya secara bersamaan dengan waktu awal yang sama. Jika jamnya sempurna, tidak akan ada selisih meski waktu berlalu, tetapi pada kenyataannya keduanya makin lama makin melenceng (ada bias sistematis maupun acak).
      Dengan melihat selisih ini, kesalahan jam tampak menyebar seperti 'random walk'. Jika eksperimen dilakukan dengan beberapa jam, varians kesalahan menunjukkan jam mana yang lebih unggul.
      Bahkan tanpa standar absolut yang sempurna, kita tetap bisa mengukur keacakan dengan membandingkan dua unit

    • Sejak 1967, definisi fisik untuk 1 detik sudah diperkenalkan
      https://en.wikipedia.org/wiki/Second#Atomic_definition

    • Sebenarnya yang diukur bukan 'akurasi' jam, melainkan 'besar noise'-nya. Sumber dasar jam itu sendiri secara fisik tidak berubah, tetapi ada noise yang tercampur.
      Misalnya, medan magnet yang sangat kecil atau perubahan suhu pun bisa mengubah laju jam, jadi semuanya perlu diisolasi/dikendalikan semaksimal mungkin. Pengaruh yang tersisa dikoreksi lewat perhitungan, dan nilai inilah yang menjadi akurasinya.
      Jika ingin mengukurnya secara langsung, kita juga bisa menyinkronkan dua jam yang sama lalu membandingkannya setelah waktu berlalu (tentu perlu mempertimbangkan efek relativitas juga)

    • Waktu didefinisikan berdasarkan fenomena fisik yang tidak berubah.
      Misalnya, semua elektron identik secara sempurna, jadi karakteristik seperti ini bisa dipakai untuk membuat standar waktu yang akurat

  • Saya agak bingung apakah ini benar-benar sebuah 'jam', atau lebih seperti 'sinyal clock' seperti pada encoder posisi. Maksud saya, apakah ini hanya berfungsi sebagai 'nilai absolut' dalam rentang tertentu saja

    • Jam atom optik berbasis ion tunggal terperangkap seperti ini, atau berbasis kisi atom netral, tidak menghasilkan sinyal clock kontinu itu sendiri.
      Sebaliknya, dibutuhkan laser (frequency comb). Ini membagi sinyal optik ratusan THz menjadi sinyal elektronik pada satuan MHz~GHz.
      Untuk benar-benar memperoleh kontinuitas penuh sebagai jam sinyal untuk representasi waktu nyata, dibutuhkan beberapa jam optik (saat ini ion dan atom netral masih sering hilang sehingga perlu sering di-reset).
      Sinyal kontinu ditangani oleh laser. Laser ini bekerja pada inframerah berbasis kaca erbium dan ytterbium, dan diselaraskan dengan frekuensi resonansi ion.
      Pada interval pendek, noise sulit disaring, jadi stabilitas frekuensi ditentukan oleh kualitas resonator silikon (syarat kualitas seperti pendinginan ke suhu sangat rendah, transmisi inframerah, dan sebagainya).
      Seperti sinyal clock komputer, dalam jangka panjang ia setara dengan sinkronisasi ke pihak luar seperti NTP, sementara dalam jangka pendek setara dengan osilator kuarsa internal.
      Jam ion optik kali ini memiliki ketidakpastian frekuensi acuan terendah yang pernah ada. Namun karena menggunakan satu ion terperangkap, noise jangka pendeknya lebih besar dibanding sistem berbasis kisi atom netral (yang memakai ribuan atom).
      Karena itu, sinyal keluarannya harus dirata-ratakan dalam waktu sangat lama (setidaknya beberapa hari) untuk mencapai akurasi yang dinyatakan.
      Akurasi jangka pendeknya (1 detik) saat ini sekitar seribu kali dibanding jam gelombang mikro cesium/hidrogen berkinerja terbaik, tetapi hanya dengan dirata-ratakan saja ia bisa mencapai performa jam gelombang mikro sebelumnya

    • Saya jadi bertanya-tanya apakah, selain titik awal kosmik seperti Big Bang, benar-benar ada standar waktu absolut

    • Sinyal clock dapat diakumulasikan dan semuanya bisa dihitung, serta sangat akurat dalam jangka panjang. Secara konsep, seperti encoder putar, akumulasi sinyal hingga triliunan kali pun dimungkinkan (hanya saja encoder pada umumnya hampir tidak pernah melakukan penghitungan seperti itu)

  • Saya suka deskripsi bahwa ini adalah 'jam terbaik' yang dibuat dari berlian dan emas. Rasanya seperti Minecraft

  • Artikel ini punya banyak gambar menarik seperti foto perangkat. Aluminium jelas lebih unggul daripada cesium, tetapi secara praktis lebih sulit ditangani, dan tampaknya hambatan yang selama ini mencegahnya menjadi standar akhirnya berhasil diatasi kali ini

  • Preprint
    https://arxiv.org/abs/2504.13071("High-Stability Single-Ion Clock with $5.5\times10^{-19}$ Systematic Uncertainty")

  • Jika Anda ingin akses terautentikasi ke server NTP NIST, Anda harus mengirim surat melalui pos AS atau FAX (email tidak diizinkan).
    NIST juga akan membalas informasi kunci hanya melalui pos (sama sekali tidak boleh memakai email).
    Karena departemen yang biasanya menerima surat dan FAX saat ini aksesnya terbatas, pemrosesan permintaan mungkin akan sangat terlambat
    https://www.nist.gov/pml/time-and-frequency-division/time-services/nist-authenticated-ntp-service
    (saya mengetahui ini saat mengimplementasikan fedramp)

    • Saya penasaran apakah NIST akan mempertimbangkan penerapan NTS (Network Time Security)
      https://github.com/jauderho/nts-servers/tree/main

    • Saya penasaran apakah penggunaan FAX juga diizinkan untuk orang yang tinggal di luar negeri. Bagi pengguna di luar AS, proses ini terasa agak merepotkan