Фізики побудували атомний годинник, який працює на коливаннях не випадкових атомів, а квантово заплутаних, точність якого може обійти стандартну квантову межу. За словами вчених, такий годинник буде у чотири рази швидшим та в п’ять разів більш точним за стандартні. Так можна виміряти не лише час, а і “впіймати” темну матерію та зафіксувати зміни фундаментальних фізичних констант, повідомляється у статті, опублікованій у журналі Nature.
Npl & Andrew Brookes / Science Photo Library / Corbis
Навіщо вченим новий годинник?
Для відстеження часу завжди використовували щось періодичне: рух Сонця або коливання маятника. Сьогодні за найстабільніше періодичне явище вчені взяли коливання атомів, адже, наприклад, один атом цезію буде коливатися з тією ж частотою, що і інший атом цезію. Коливання вимірюють за допомогою лазерів, однак через те, що атом - частинка мікроскопічна, відслідковувати коливання кожного окремо неможливо через існування стандартної квантової межі. Це обмеження вчені обходять використовуючи цілу хмару атомів, середнє значення частоти коливань яких вважають за правильне значення.
Сучасні атомні годинники відраховують час з такою точністю, що якби їх запустили на моменті зародження Всесвіту, то сьогодні вони відхилилися б всього на пів секунди. Але все ж існує деяка невизначеність щодо частоти кожного окремого атома, яка накладає похибку на вимірювання. І цього достатньо, щоб обмежити всі можливості атомних годинників: можливість виявляти темну матерію, гравітаційні хвилі та навіть відповісти на питання, чи змінюються фундаментальні константи з часом. Тому у своїй роботі фізики запропонували сподіватися не на коливання купки атомів, а на квантову заплутаність.
Що зробили фізики?
Команда вчених розробила теорію, за якою вони припустили, що окремі коливання заплутаних атомів будуть давати середній результат частоти з меншим відхиленням. Тобто середні коливання, вимірювані атомним годинником, матимуть точність, що перевищує стандартну квантову межу. Квантова заплутаність — феномен, при якому квантові стану декількох частинок виявляються взаємопов'язаними незалежно від відстані між ними. Так знання про стан однієї частини заплутаної системи автоматично визначають стан іншої. Це явище використовується в квантовій телепортації, криптографії та комп'ютерних технологіях.
Нова установка може забезпечити таку ж точність, як і стандартні, але в чотири рази швидшу, а оптичні атомні годинники із заплутаністю зможуть і підвищити точність. За словами вчених, якби сучасні атомні годинники були адаптовані для вимірювання заплутаних атомів, їхня синхронізація покращилася б так, що за весь вік Всесвіту, а це 13,8 мільярда років, відхилення було б меншим за 100 мілісекунд.
Атоми потрапляють в оптичну порожнину, складену двома дзеркалами. Коли через порожнину проходить лазер, що “стискає”, атоми заплутуються, а їх частота вимірюється другим лазером як платформа для більш точних атомних годинників / Nature, 2020
Як вони використали квантову заплутаність?
У своєму новому годиннику фізики заплутали близько 350 атомів ітербію, який коливається з тією частотою, що і видиме світло, а отже в 100 тисяч разів частіше за одну секунду, ніж цезій. Вчені охолодили атоми та помістили їх в оптичний резонатор, утворений двома дзеркалами, через який пропустили лазер, що викликав збудження атомів. Світло служить сполучною ланкою між атомами — перший атом запускає ланцюжок реакцій інших атомів на світло, які через безліч циклів “впізнають” один одного і починають поводитися однаково. Вони викликали спінові стискання для багатьох атомів між атомними рівнями, енергії яких відрізняються за шкалою оптичних фотонів, і використали це для демонстрації послідовності оптичних годинників, в якій заплутаність забезпечує стабільність в атомній системі. Таким чином, дослідники квантово заплутують атоми, а потім використовують інший лазер, аналогічний тим, що використовується в сучасних атомних годинниках, для вимірювання.