Ничто так не хранит время, как бьющееся сердце атома. Но даже четкое тиканье вибрирующего ядра ограничено неопределенностями, налагаемыми законами квантовой механики.
Несколько лет назад исследователи из Массачусетского технологического института и Белградского университета в Сербии предположили, что квантовая запутанность может вытолкнуть часы за эту размытую границу.
Теперь у нас есть доказательство концепции в виде эксперимента. Физики соединили вместе облако атомов иттербия-171 с потоками фотонов, отраженными от окружающего зала зеркал, и измерили время их крошечных покачиваний.
Их результаты показывают, что такое запутывание атомов может ускорить процесс измерения времени в часах с атомным ядром, делая их более точными, чем когда-либо. В принципе, часы, основанные на этом новом подходе, потеряли бы всего 100 миллисекунд с самого начала времени.
Подобно другим ультрасовременным часам, основанным на ядрах атомов цезия и тория, время в этой установке делится на колебания в ядре иттербия после того, как оно поглощает определенную энергию света.
Поскольку ядро иттербия можно заставить гудеть со скоростью в 100 000 раз быстрее, чем ядро атома цезия, это обеспечивает гораздо более точный механизм измерения времени.
Но наступает момент, когда квантовая физика говорит, что невозможно точно сказать, где начинаются и заканчиваются колебания атома. Этот стандартный квантовый предел (СКП - ограничение, накладываемое на точность непрерывного или многократно повторяющегося измерения какой-либо величины, описываемой оператором, который не коммутирует сам с собой в разные моменты времени) действует как размытие на атомном маятнике; у вас могут быть более быстрые часы, но что толку, если вы даже не можете измерить это?
Без возможности преодолеть это препятствие, не имеет особого значения, заменим ли мы один набор атомных ядер на более точный тип - их квантовый беспорядок устанавливает жесткий предел точности атомных часов.
Один из приемов состоит в том, чтобы записать частоты одновременно гудящих нескольких атомов в решетке, состоящей из сотен крошечных атомных маятников. В современных технологиях атомных часов используются лазеры, спроектированные так, чтобы быть максимально стабильными, обеспечивая каждому атому очень похожую частоту света. Комбинируя их коллективное размытие, индивидуальные неопределенности усредняются.
Этот новый метод идет дальше в этом процессе усреднения. Соединяя атомы вместе таким образом, чтобы запутать квантовые вероятности их спинов, можно перераспределить неопределенность в системе, увеличивая точность в одних частях за счет других.
«Как будто свет служит связующим звеном между атомами», - говорит физик Массачусетского технологического института Чи 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 начнут вести себя одинаково».
Независимо от того, какой метод используется, чем дольше вы слушаете, тем точнее будет конечный результат. В этом случае команда обнаружила, что запутанность сделала процесс измерения примерно в три раза быстрее по сравнению с часами, действующими на СКП.
Это может показаться не таким уж драматичным, но увеличение скорости может быть именно тем, что нам нужно, чтобы изучить некоторые из более тонких влияний, которые Вселенная оказывает на время.
«По мере того как Вселенная стареет, изменяется ли скорость света? Меняется ли заряд электрона?», - говорит ведущий исследователь Владан Вулетич из Массачусетского технологического института.
«Это то, что вы можете исследовать с помощью более точных атомных часов».
Это может даже позволить нам найти точку, в которой общая теория относительности развалится, указывая на новую физику, которая связывает определенную кривизну пространства-времени с неопределенной природой квантовых полей. Или позволит нам лучше измерить тонкие характеристики искажения времени темной материи.
Стоя на пороге новой эры физики и астрономии, нам действительно понадобится время на нашей стороне.
Это исследование было опубликовано в журнале Nature.
Источник: ScienceAlert
