Qfizycy uantum opracowali nowy typ optycznego zegara atomowego, wykorzystujący splątanie kwantowe między atomami strontu w celu osiągnięcia niespotykanej dotąd precyzji.
Ten przełom może znacząco wpłynąć obliczenia kwantowe i precyzyjne wykrywanie, chociaż obecnie działa skutecznie tylko przez milisekundy.
Kwantowy postęp w mierzeniu czasu
Wyobraź sobie, że wchodzisz do pokoju ozdobionego kilkoma różnymi zegarami, z których każdy tyka w swoim własnym, niepowtarzalnym tempie.
Fizycy kwantowi z CU Boulder oraz Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) skutecznie odtworzyli tę scenę w skali atomów i elektronów. Ich przełom może doprowadzić do opracowania nowych typów optycznych zegarów atomowych, czyli urządzeń mierzących czas poprzez wychwytywanie naturalnego „tykania” atomów.
Nowy zegar grupy składa się z kilkudziesięciu atomów strontu uwięzionych we wzorze siatki. Aby poprawić wydajność urządzenia, zespół wygenerował rodzaj widmowej interakcji, znanej jako splątanie kwantowe, pomiędzy grupami tych atomów, w zasadzie wciskając cztery różne rodzaje zegarów w ten sam aparat do pomiaru czasu.
Zwiększanie precyzji dzięki mechanice kwantowej
To nie jest zwykły zegarek kieszonkowy: naukowcy wykazali, że przynajmniej w wąskim zakresie warunków ich zegar może przekroczyć punkt odniesienia w zakresie precyzji zwany „standardową granicą kwantową” – co fizyk Adam Kaufman nazywa „Świętym Graalem” dla optyczne zegary atomowe.
„Możemy jedynie podzielić ten sam okres czasu na coraz mniejsze jednostki” – powiedział Kaufman, starszy autor nowego badania i pracownik JILA, wspólnego instytutu badawczego CU Boulder i NIST. „To przyspieszenie mogłoby umożliwić nam dokładniejsze śledzenie czasu”. Postępy zespołu mogą zaowocować nowymi technologiami kwantowymi. Obejmują one czujniki, które mogą mierzyć subtelne zmiany w środowisku, np jak grawitacja Ziemi zmienia się wraz z wysokością.
Kaufman i jego współpracownicy, w tym pierwszy autor Alec Cao, absolwent JILA, opublikowali swoje ustalenia 9 października w czasopiśmie Natura.
Potencjał optycznych zegarów atomowych
Badania te stanowią kolejny ważny postęp w dziedzinie optycznych zegarów atomowych, które potrafią znacznie więcej niż tylko wskazywanie czasu.
Aby stworzyć takie urządzenie, naukowcy zazwyczaj zaczynają od uwięzienia i schłodzenia chmury atomów do niskich temperatur. Następnie niszczą te atomy potężnym laserem. Jeśli laser jest odpowiednio dostrojony, elektrony krążące wokół tych atomów będą przeskakiwać z niższego poziomu energii na wyższy i z powrotem. Pomyśl o tym jak o wahadle starego zegara poruszającym się w tę i z powrotem – tyle że te zegary tykają ponad bilion razy na sekundę.
Mechanika zegarów kwantowych
Są niezwykle precyzyjne. Na przykład najnowsze optyczne zegary atomowe w JILA potrafią wykryć zmianę grawitacji, jeśli podniesie się je o zaledwie ułamek milimetra.
„Zegary optyczne stały się ważną platformą w wielu obszarach fizyki kwantowej, ponieważ pozwalają w tak wysokim stopniu kontrolować poszczególne atomy – zarówno to, gdzie te atomy się znajdują, jak i w jakim są stanie” – powiedział Kaufman.
Ale mają też dużą wadę: w fizyce kwantowej rzeczy tak małe jak atomy nigdy nie zachowują się dokładnie tak, jak można by się spodziewać. Te naturalne niepewności wyznaczają coś, co wydaje się być nierozerwalną granicą dokładności zegara.
Splątanie kwantowe: droga do precyzji
Jednak splątanie może zapewnić obejście tego problemu.
Kaufman wyjaśnił, że kiedy dwie cząstki zostaną splątane, informacja o jednej z nich automatycznie ujawni informację o drugiej. W praktyce splątane atomy w zegarze zachowują się mniej jak pojedyncze osoby, a bardziej jak pojedyncze atomy atomco sprawia, że ich zachowanie jest łatwiejsze do przewidzenia.
W bieżącym badaniu naukowcy wygenerowali tego rodzaju połączenie kwantowe, szturchając ich atomy strontu w taki sposób, że ich elektrony orbitowały daleko od jąder – prawie tak, jakby były zrobione z waty cukrowej.
„To przypomina puszystą orbitę” – powiedział Kaufman. „Ta puszystość oznacza, że jeśli zbliżysz dwa atomy wystarczająco blisko, elektrony będą mogły wyczuć się w pobliżu, co spowoduje silną interakcję między nimi”.
Te połączone pary również tykają w szybszym tempie niż pojedyncze atomy.
Zespół eksperymentował ze stworzeniem zegarów składających się z kombinacji pojedynczych atomów i splątanych grup dwóch, czterech i ośmiu atomów – innymi słowy, cztery zegary tykały z czterema częstotliwościami w jednym.
Odkryli, że przynajmniej w pewnych warunkach splątane atomy charakteryzują się znacznie mniejszą niepewnością tykania niż atomy w tradycyjnym optycznym zegarze atomowym.
„Oznacza to, że osiągnięcie tego samego poziomu precyzji zajmuje nam mniej czasu” – powiedział.
Perspektywy i wyzwania na przyszłość
On i jego koledzy mają jeszcze dużo pracy do wykonania. Po pierwsze, badacze mogą efektywnie pracować ze swoim zegarem jedynie przez około 3 milisekundy. Dłużej, a splątanie między atomami zaczyna się ślizgać, powodując, że tykanie atomowe staje się chaotyczne.
Ale Kaufman widzi w urządzeniu duży potencjał. Podejście jego zespołu do splątania atomów może na przykład stworzyć podstawę dla tego, co fizycy nazywają „bramkami wielokubitowymi” – podstawowych operacji wykonujących obliczenia w komputerach kwantowych, czyli urządzeniach, które pewnego dnia będą mogły przewyższać w niektórych zadaniach tradycyjne komputery.
„Pytanie brzmi: czy możemy stworzyć nowe rodzaje zegarów o dostosowanych właściwościach, które umożliwią nam doskonałe sterowanie, jakie mamy w tych systemach?” – powiedział Kaufman.
Odniesienie: „Bramy wielokubitowe i stany kota Schrödingera w zegarze optycznym” autorstwa Aleca Cao, Williama J. Ecknera, Theodora Lukina Yelina, Aarona W. Younga, Svena Jandury, Lingfenga Yana, Kyungtae Kima, Guido Pupillo, Jun Ye, Nelsona Darkwah Oppong i Adam M. Kaufman, 9 października 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07913-z
Inni współautorzy badania z CU Boulder i NIST to NIST i JILA Fellow Jun Ye; badacze ze stopniem doktora JILA, Kyungtae Kim i Nelson Darkwah Oppong; oraz absolwenci JILA: William Eckner, Theo Lukin Yelin, Aaron Young i Lingfeng Yan. Guido Pupillo z Uniwersytetu w Strasburgu był także współautorem.
