Атомные часы - самые точные хронометры в мире. Эти изысканные инструменты используют лазеры для измерения вибраций атомов, которые колеблются с постоянной частотой, подобно многим микроскопическим маятникам, раскачивающимся синхронно. Лучшие атомные часы в мире показывают время с такой точностью, что, если бы они шли с самого начала Вселенной, сегодня они отставали бы всего на полсекунды.
Тем не менее, они могли бы быть еще более точными. Если бы атомные часы могли более точно измерять колебания атомов, они были бы достаточно чувствительными, чтобы обнаруживать такие явления, как темная материя и гравитационные волны. Имея более совершенные атомные часы, ученые могли бы также начать отвечать на некоторые головокружительные вопросы, например, какое влияние может оказывать гравитация на течение времени и меняется ли само время по мере старения Вселенной.
Теперь новый вид атомных часов, разработанный физиками Массачусетского технологического института, может позволить ученым исследовать такие вопросы и, возможно, открыть новую физику.
Исследователи сообщают в журнале Nature, что они построили атомные часы, которые измеряют не облако случайно колеблющихся атомов, как сейчас измеряют современные разработки, а атомы, которые были квантово запутаны. Атомы связаны таким образом, который невозможен по законам классической физики, и это позволяет ученым более точно измерять колебания атомов.
Новая установка может достигать той же точности в четыре раза быстрее, чем часы без запутывания.
«Оптические атомные часы с улучшенной запутанностью будут иметь потенциал для достижения большей точности за одну секунду, чем современные современные оптические часы», - говорит ведущий автор Эдвин Педрозо-Пенафьель, постдоктор в Массачусетском технологическом институте. Лаборатория электроники.
Если бы современные атомные часы были приспособлены для измерения запутанных атомов, как это делает установка группы Массачусетского технологического института, их время улучшилось бы так, что за весь возраст Вселенной часы были бы меньше, чем 100 миллисекунд выкл.
Другими соавторами статьи из Массачусетского технологического института являются Симона Коломбо, Чи Шу, Альберт Адиятуллин, Зеян Ли, Энрике Мендес, Борис Браверман, Акио Кавасаки, Сайсуке Акамацу, Яньхун Сяо и Владан Вулетич, профессор Лестера Вулфа Физика.
Ограничение по времени
С тех пор как люди начали отслеживать ход времени, они делали это с помощью периодических явлений, таких как движение солнца по небу. На сегодняшний день колебания в атомах являются наиболее устойчивыми периодическими явлениями, которые могут наблюдать ученые. Более того, один атом цезия будет колебаться с той же частотой, что и другой атом цезия.
Чтобы точно показывать время, часы в идеале должны отслеживать колебания одного атома. Но в этом масштабе атом настолько мал, что ведет себя в соответствии с таинственными правилами квантовой механики: при измерении он ведет себя как подброшенная монета, которая только при усреднении по множеству подбрасываний дает правильные вероятности. Это ограничение физики называют стандартным квантовым пределом.
«Когда вы увеличиваете количество атомов, среднее значение всех этих атомов приближается к тому, что дает правильное значение», - говорит Коломбо.
Вот почему современные атомные часы предназначены для измерения газа, состоящего из тысяч атомов одного типа, чтобы получить оценку их средних колебаний. Типичные атомные часы делают это, сначала используя систему лазеров, чтобы загнать газ сверхохлажденных атомов в ловушку, образованную лазером. Второй, очень стабильный лазер с частотой, близкой к частоте колебаний атомов, направляется для исследования атомных колебаний и, таким образом, отслеживания времени.
И тем не менее, Стандартный Квантовый Предел все еще действует, а это означает, что даже среди тысяч атомов все еще существует некоторая неопределенность относительно их точных индивидуальных частот. Именно здесь Вулетик и его группа показали, что квантовая запутанность может помочь. В общем, квантовая запутанность описывает неклассическое физическое состояние, в котором атомы в группе показывают коррелированные результаты измерений, хотя каждый отдельный атом ведет себя как случайный подбрасывание монеты.
Команда пришла к выводу, что если атомы запутаны, их индивидуальные колебания будут стягиваться вокруг общей частоты с меньшим отклонением, чем если бы они не были запутаны. Таким образом, средние колебания, которые измеряли бы атомные часы, имели бы точность, превышающую Стандартный квантовый предел.
Запутанные часы
В своих новых атомных часах Вулетик и его коллеги запутывают около 350 атомов иттербия, который колеблется с той же очень высокой частотой, что и видимый свет, а это означает, что любой атом вибрирует в 100 000 раз чаще за одну секунду, чем цезий.. Если колебания иттербия можно точно отследить, ученые смогут использовать атомы, чтобы различать все меньшие интервалы времени.
Группа использовала стандартные методы для охлаждения атомов и их захвата в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами. Затем они отправили лазер через оптический резонатор, где он щелкнул по пинг-понгу между зеркалами, тысячи раз взаимодействуя с атомами.
«Свет как будто служит связующим звеном между атомами», - объясняет Шу. «Первый атом, который увидит этот свет, слегка изменит свет, и этот свет также изменит второй атом и третий атом, и через множество циклов атомы коллективно узнают друг друга и начнут вести себя одинаково."
Таким образом, исследователи квантово запутывают атомы, а затем используют другой лазер, похожий на существующие атомные часы, для измерения их средней частоты. Когда команда провела аналогичный эксперимент без запутанных атомов, они обнаружили, что атомные часы с запутанными атомами достигают желаемой точности в четыре раза быстрее.
«Вы всегда можете сделать часы более точными, измеряя их дольше», - говорит Вулетик. «Вопрос в том, сколько времени нужно для достижения определенной точности. Многие явления нужно измерять в быстрых временных масштабах».
Он говорит, что если современные атомные часы можно будет приспособить для измерения квантово запутанных атомов, они не только будут показывать более точное время, но и помогут расшифровать сигналы во Вселенной, такие как темная материя и гравитационные волны, и начните отвечать на некоторые извечные вопросы.
"С возрастом Вселенной меняется ли скорость света? Изменяется ли заряд электрона?" - говорит Вулетик. «Это то, что вы можете проверить с помощью более точных атомных часов».