Квантово-запутанные атомные часы показывают очень точное время

Атомные часы — самые точные измерители времени, которые у нас есть сегодня, а лучшие из них показывают время с погрешностью до одной секунды за 15 миллиардов лет. Но всегда есть место для улучшений, что исследователи из Массачусетского технологического института продемонстрировали с помощью новых квантово-запутанных атомных часов.

Атомы вибрируют настолько точно, что вы можете настроить на них свои часы — именно это и делают атомные часы. В этих часах используются лазеры для измерения колебаний, и получаемое время достаточно точное, чтобы соответствовать национальным и международным стандартам. Атом цезия-133, например, колеблется ровно 9 192 631 770 раз в секунду, и он настолько стабилен, что этот образец официально определяет секунду с 1968 года.

Теперь команда физиков Массачусетского технологического института разработала новый тип атомных часов, которые могут еще больше расширить границы точности. В идеале отслеживание колебаний отдельного атома должно наиболее точно измерять время, но, к сожалению, случайные квантовые флуктуации могут испортить измерения. Это известно как стандартный квантовый предел.

Таким образом, квантовые часы обычно отслеживают газ, состоящий из тысяч атомов одного и того же типа — традиционно цезий, хотя иттербий в последние годы становится новым лидером. Эти атомы охлаждаются почти до абсолютного нуля, затем удерживаются на месте с помощью лазеров, пока другой лазер измеряет их колебания. Взяв среднее значение для многих атомов, можно получить более точный ответ.

К сожалению, эффекты стандартного квантового предела можно уменьшить, но полностью устранить нельзя. Новые атомные часы, разработанные командой Массачусетского технологического института, еще больше уменьшают предел благодаря квантовой запутанности.

Это кажется невозможным, но в некоторых случаях атомы могут быть настолько переплетены, что измерение состояния одного из них может мгновенно изменить состояние его партнера — независимо от того, насколько далеко они друг от друга находятся. Это известно как квантовая запутанность, и новые часы используют это явление для более точного измерения времени.

Исследователи начали с примерно 350 атомов иттербия-171, который колеблется даже быстрее, чем цезий. Эти атомы попадают в оптическую полость между двумя зеркалами, затем в полость направляют лазер, чтобы квантово запутать атомы.

«Как будто свет служит связующим звеном между атомами», — говорит Чи Шу, соавтор исследования. «Первый атом, который видит этот свет, немного изменит его, 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».

Как только атомы запутываются, через облако просвечивается второй лазер, чтобы измерить их среднюю частоту. Ученые обнаружили, что этот метод создал часы, которые могут достигать определенной точности в четыре раза быстрее, чем аналогичные часы, использующие незапутанные атомы.

Исследователи говорят, что новый метод может сделать атомные часы настолько точными, что даже через 15 млрд. лет они все равно будут рассинхронизированы менее чем на 100 миллисекунд. Кроме того, они могут помочь ученым исследовать некоторые из самых серьезных головоломок в физике, такие как темная материя, гравитационные волны и то, меняются ли правила физики со временем.

«По мере того как Вселенная стареет, меняется ли скорость света?», — задает вопрос Владан Вулетич, соавтор исследования. «Изменится ли заряд электрона? Это то, что вы можете изучать с помощью более точных атомных часов».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.