Конструкция, в которой используются запутанные атомы, может помочь ученым обнаружить темную материю и изучить влияние гравитации во времени.
Атомные часы - самые точные хронометры в мире. В этих изысканных инструментах используются лазеры для измерения колебаний атомов, которые колеблются с постоянной частотой, как многие синхронно колеблющиеся микроскопические маятники. Лучшие атомные часы в мире отсчитывают время с такой точностью, что, если бы они шли с момента зарождения Вселенной, сегодня они отклонились бы всего на полсекунды.
Тем не менее, они могли быть еще точнее. 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 загадочные вопросы, например, какое влияние гравитация может оказывать на течение времени и изменяется ли само время с возрастом Вселенной.
Атомные часы нового типа, разработанные физиками Массачусетского технологического института, могут позволить ученым исследовать такие вопросы и, возможно, раскрыть новую физику.
Сегодня исследователи сообщают в журнале Nature, что они построили атомные часы, которые измеряют не облако случайно колеблющихся атомов, как сейчас измеряют современные разработки, а вместо этого атомы, которые были квантово запутаны. Атомы связаны между собой таким образом, который невозможен по законам классической физики, и это позволяет ученым более точно измерять колебания атомов.
Новая установка может достичь той же точности в четыре раза быстрее, чем часы без запутывания.
«Оптические атомные часы с усиленной запутанностью будут иметь потенциал для достижения большей точности за одну секунду, чем современные оптические часы», - говорит ведущий автор Эдвин Педрозо-Пеньяфьель, постдок из исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института.
Если бы современные атомные часы были адаптированы для измерения запутанных атомов, как это делает команда Массачусетского технологического института, их синхронизация улучшилась бы так, что за весь возраст Вселенной часы были бы менее чем на 100 миллисекунд.
Другими соавторами статьи из Массачусетского технологического института являются Симоне Коломбо, Чи Шу, Альберт Адиятуллин, Зеян Ли, Энрике Мендес, Борис Браверман, Акио Кавасаки, Сайсуке Акамацу, Яньхонг Сяо и Владан Вулетич, профессор физики Лестера Вулфа.
Лимит времени
С тех пор, как люди начали отслеживать течение времени, они использовали периодические явления, такие как движение солнца по небу. Сегодня колебания в атомах - самые стабильные периодические явления, которые могут наблюдать ученые. Кроме того, один атом цезия будет колебаться с той же частотой, что и другой атом цезия.
Чтобы поддерживать точное время, часы в идеале должны отслеживать колебания отдельного атома. Но в таком масштабе атом настолько мал, что ведет себя в соответствии с загадочными правилами квантовой механики: при измерении он ведет себя как подброшенная монета, которая дает правильные вероятности только при усреднении по множеству подбрасываний. Это ограничение физики называют стандартным квантовым пределом.
«Когда вы увеличиваете количество атомов, среднее значение, данное всеми этими атомами, 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 из сверхохлажденных атомов в ловушку, образованную лазером. Второй, очень стабильный лазер с частотой, близкой к частоте колебаний атомов, посылается, чтобы исследовать колебания атомов и, таким образом, отслеживать время.
И все же стандартный квантовый предел все еще работает, а это означает, что все еще существует некоторая неопределенность, даже среди тысяч атомов, 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, даже если каждый отдельный атом ведет себя как случайный подбрасывание монеты.
Команда пришла к выводу, что если атомы запутаны, их индивидуальные колебания будут сжиматься вокруг общей частоты с меньшим отклонением, чем если бы они не были запутаны. Таким образом, средние колебания, измеряемые атомными часами, будут иметь точность, превышающую Стандартный квантовый предел.
Запутанные часы
В своих новых атомных часах Вулетик и его коллеги запутали около 350 атомов иттербия, который колеблется с той же очень высокой частотой, что и видимый свет, а это означает, что любой атом колеблется в 100000 раз чаще за одну секунду, чем цезий. Если можно точно отследить колебания иттербия, ученые смогут использовать атомы, чтобы различать все меньшие промежутки времени.
Группа использовала стандартные методы для охлаждения атомов и захвата их в оптический резонатор, образованный двумя зеркалами. Затем они направили лазер через оптический резонатор, где он прыгнул между зеркалами, тысячи раз взаимодействуя с атомами.
«Как будто свет служит связующим звеном между атомами», - объясняет Шу. «Первый атом, который видит этот свет, немного изменит свет, и этот свет также изменит второй атом и третий атом, и через множество циклов атомы все вместе узнают друг друга и начинают вести себя одинаково».
Таким образом, исследователи квантово запутывают атомы, а затем используют другой лазер, аналогичный существующим атомным часам, для измерения их средней частоты. Когда команда провела аналогичный эксперимент без запутывания атомов, они обнаружили, что атомные часы с запутанными атомами достигли желаемой точности в четыре раза быстрее.
«Вы всегда можете сделать часы более точными, если будете проводить измерения дольше», - говорит Вулетич. «Вопрос в том, сколько времени нужно, чтобы достичь определенной точности. Многие явления необходимо измерять в кратчайшие сроки ».
Он говорит, что если современные атомные часы могут быть адаптированы для измерения квантово запутанных атомов, они не только будут лучше показывать время, но и помогут расшифровать сигналы во Вселенной, такие как темная материя и гравитационные волны, и начнут их определять. ответьте на несколько извечных вопросов.
«По мере того как Вселенная стареет, изменяется ли скорость света? Изменится ли заряд электрона? » Говорит Вулетик. «Это то, что вы можете исследовать с помощью более точных атомных часов».
Это исследование было частично поддержано DARPA, Национальным научным фондом и Управлением военно-морских исследований.
Атомы захватываются в оптическом резонаторе, состоящем из двух зеркал. Когда через резонатор пропускают «сжимающий» лазер, атомы запутываются, и их частота измеряется вторым лазером, который служит платформой для более точных атомных часов.