Физики создали квантово-запутанные атомные часы
Физики из Оксфордского университета впервые успешно соединили двое атомных часов с помощью квантовой запутанности. Это достижение может помочь сделать эти часы настолько точными, что они начнут приближаться к фундаментальному пределу точности, установленному квантовой механикой.
Атомные часы отсчитывают время, измеряя модели вибрации атомов, которые невероятно стабильны и предсказуемы.
Например, атом цезия-133 будет колебаться ровно 9 192 631 770 раз в секунду, и это число используется для официального определения секунды с 1967 года, устанавливая национальные и международные стандарты хронометража.
Но всегда есть место для улучшения. Оптические атомные часы, использующие видимый свет и такие атомы, как иттербий, потенциально могут превзойти цезиевые атомные часы, и теперь физики продемонстрировали, как сделать их еще более точными. Для этого необходимо задействовать необычное квантовое явление, называемое квантовой запутанностью.
Иногда частицы могут настолько переплестись друг с другом, что измерение или изменение одной из них мгновенно повлияет на ее партнера, независимо от того, насколько далеко они могут быть друг от друга.
Теоретически две частицы могут находиться на противоположных сторонах Вселенной и при этом мгновенно воздействовать друг на друга. Эта идея, как известно, нервировала самого Эйнштейна, но экспериментально подтверждалась десятилетиями.
Физики Массачусетского технологического института ранее использовали квантовую запутанность, чтобы повысить точность атомных часов, запутав облако атомов в одном устройстве. Теперь оксфордская команда запутала двое отдельных атомных часов друг с другом через комнату.
Каждый из атомных часов содержал один ион стронция. Далее лазерный луч разделяется на две части, затем каждый луч модулируется точно таким же образом, а затем направляется в атомные часы для удара по иону стронция. Это создает квантовую запутанную связь между ионами, даже если они находятся на расстоянии 2 метра друг от друга.
Конечным результатом стала первая квантовая сеть запутанных атомных часов, которые можно было бы использовать для измерения времени точнее, чем когда-либо. Исследователи уменьшили погрешность измерений в два раза.
Фактически, они говорят, что запутанные сети атомных часов могут превзойти стандартный квантовый предел (SQL), который возникает в результате случайных квантовых флуктуаций, которые мешают измерениям.
Кроме того, точность может начать приближаться к пределу Гейзенберга — жесткой границе, установленной самими законами квантовой физики.
Однако это все еще недостижимо для конкретной используемой установки, которая была разработана для экспериментов по квантовым вычислениям.
Ученые говорят, что специализированная сеть квантово-запутанных атомных часов может начать исследовать основные физические загадки, такие как фундаментальные константы и даже темная материя.
«Хотя наш результат в значительной степени является доказательством принципа, а абсолютная точность, которую мы достигаем, на несколько порядков ниже уровня техники, мы надеемся, что показанные здесь методы могут когда-нибудь улучшить современные системы. — сказал Рагхавендра Шринивас, автор исследования.
«В какой-то момент нам потребуется запутывание, поскольку оно обеспечивает путь к предельной точности, допускаемой квантовой теорией».
Исследование было опубликовано в журнале Nature.