Вчені відкрили новий спосіб вимірювання часу

Відзначати хід часу в світі цокаючих годинників і маятників, що гойдаються, — це простий випадок підрахунку секунд між «тоді» і «зараз». Однак на квантовому рівні дзвінких електронів «тоді» не завжди можна передбачати. Що ще гірше, "зараз" часто розчиняється в тумані невизначеності. Секундомір просто не підійде для деяких сценаріїв.

На думку дослідників з Упсальського університету у Швеції, потенційне рішення може бути знайдено у самій формі квантового туману. Це дослідження було опубліковано у Physical Review Research .

Читайте також: У найвищому будинку світу люди по-різному сприймають час

Їхні експерименти над хвильовою природою того, що називається станом Рідберга, відкрили новий спосіб вимірювання часу, що не вимагає точної відправної точки.

Атоми Рідберга — надмірно надуті повітряні кулі царства частинок. Надуті лазерами замість повітря ці атоми містять електрони в надзвичайно високих енергетичних станах, що обертаються по орбітах далеко від ядра.

Звичайно, не кожне накачування лазера має роздмухувати атом до мультяшних розмірів. Фактично, лазери зазвичай використовуються для переведення електронів у вищі енергетичні стани для різних цілей.

У деяких додатках можна використовувати другий лазер для відстеження змін становища електрона, у тому числі з часом. Ці методи "накачування-зонда" можна використовувати, наприклад, для вимірювання швидкості деяких надшвидких електронних пристроїв.

Приведення атомів у рідбергівські стани - зручний прийом для інженерів, не в останню чергу, коли йдеться про розробку нових компонентів для квантових комп'ютерів. Зайве говорити, що фізики накопичили значний обсяг інформації про те, як рухаються електрони, коли їх переводять до рідбергівського стану.

Однак, будучи квантовими тваринами, їх рухи менше схожі на бусинки, що ковзають по крихітних рахунках, і більше схожі на вечір за рулеткою, де кожен кидок і стрибок кульки втиснуть у єдину азартну гру.

Книга математичних правил, що стоїть за цією дикою грою в електронну рулетку Рідберга, називається хвильовим пакетом Рідберга.

Так само, як справжні хвилі в ставку, наявність більш ніж одного хвильового пакету Рідберга, що коливається в просторі, створює інтерференцію, внаслідок чого утворюються унікальні візерунки брижів. Киньте досить рідбергівських хвильових пакетів в один і той же атомний ставок, і кожен з цих унікальних патернів буде певний час, необхідний для того, щоб хвильові пакети еволюціонували відповідно один з одним.

Саме ці «відбитки пальців» часу вирішили перевірити фізики, які стоять за цією останньою серією експериментів, показавши, що вони досить постійні та надійні, щоб бути формою квантової позначки часу.

Їхні дослідження включали вимірювання результатів збудження атомів гелію лазером та зіставлення їх результатів з теоретичними передбаченнями, щоб показати, як їх характерні результати можуть залишатися незмінними протягом певного періоду часу.

«Якщо ви використовуєте лічильник, ви маєте визначити нуль. Ви починаєте рахувати в якийсь момент», — пояснила New Scientist фізик Марта Берхольц з Університету Упсали у Швеції, яка очолювала команду.

«Перевага цього полягає в тому, що вам не потрібно запускати годинник — ви просто дивитеся на інтерференційну структуру і кажете: «Добре, пройшло 4 наносекунди».

Путівник по еволюціонуючим рідбергівським хвильовим пакетам можна використовувати в поєднанні з іншими формами спектроскопії накачування-зонда, які вимірюють події в крихітному масштабі, коли вони менш зрозумілі або просто занадто незручні для вимірювання.

Важливо, що жоден з відбитків пальців не вимагає «тоді» і «зараз», щоб служити відправною точкою та зупинкою часу. Це все одно, що порівнювати гонку невідомого спринтера з кількома суперниками, що біжать із заданою швидкістю.

Вишукуючи сигнатури інтерферуючих рідбергівських станів серед зразка атомів зонда-накачування, техніки могли спостерігати тимчасову мітку для подій так само швидкоплинних, як 1,7 трильйонних частки секунди.

Майбутні експерименти з квантовим годинником можуть замінити гелій іншими атомами або навіть використовувати лазерні імпульси різної енергії, щоб розширити довідник тимчасових міток, щоб відповідати ширшому діапазону умов.

Фото: pixabay.com

Читайте також: Вчений-фізик назвав умову подорожей у часі