Фізики знайшли абсолютно новий спосіб вимірювання часу

Визначення плину часу в нашому світі цокаючих годинників і коливальних маятників є простим випадком підрахунку секунд між «тоді» і «зараз». Однак у квантовому масштабі дзижчання електронів «тоді» не завжди можна передбачити. Що ще гірше, «зараз» часто розпливається в тумані невизначеності. Секундомір просто не працюватиме для деяких сценаріїв. Згідно з дослідженням 2022 року дослідників з Уппсальського університету у Швеції, потенційне рішення можна знайти в самій формі квантового туману.

Їхні експерименти щодо хвилеподібної природи чогось, що називається станом Рідберга, виявили новий спосіб вимірювання часу, який не потребує точної початкової точки.

Атоми Рідберга — це надто роздуті повітряні кульки царства частинок. Надуті лазерами замість повітря, ці атоми містять електрони в надзвичайно високоенергетичних станах, що обертаються далеко від ядра. Звичайно, не кожна помпа лазера потребує роздування атома до карикатурних розмірів. Насправді лазери зазвичай використовуються для переведення електронів у стани з вищою енергією для різноманітних цілей.

У деяких програмах другий лазер може бути використаний для моніторингу змін у положенні електрона, включаючи плин часу. Ці методи «накачування-зонд» можна використовувати, наприклад, для вимірювання швидкості певної надшвидкої електроніки.

Переведення атомів у стан Рідберга є зручним прийомом для інженерів, не в останню чергу, коли справа доходить до розробки нових компонентів для квантових комп’ютерів. Зайве говорити, що фізики накопичили значну кількість інформації про те, як електрони рухаються, коли їх штовхають у стан Рідберга. Однак, будучи квантовими тваринами, їхні рухи не так схожі на бусинки, що ковзають по крихітній рахівниці, а більше схожі на вечір за рулетковим столом, де кожен кидок і стрибок кульки стискаються в одну азартну гру.

Книга математичних правил, що лежить в основі цієї дикої гри в електронну рулетку Рідберга, називається хвильовим пакетом Рідберга. Подібно до реальних хвиль, наявність більш ніж одного хвильового пакета Рідберга, що шириться в просторі, створює перешкоди, що призводить до унікальних моделей брижів. Киньте достатню кількість хвильових пакетів Рідберга в ту саму атомну водойму, і кожен з цих унікальних візерунків представлятиме окремий час, який потрібен хвильовим пакетам, щоб розвиватися відповідно один до одного.

Саме ці «відбитки» часу мали намір перевірити фізики, які стояли за цією серією експериментів, показавши, що вони є достатньо послідовними та надійними, щоб служити формою квантової мітки часу. Їхні дослідження включали вимірювання результатів збуджених лазером атомів гелію та зіставлення їхніх висновків з теоретичними прогнозами, щоб показати, як їхні характерні результати можуть зберігатися протягом певного часу.

«Якщо ви використовуєте лічильник, ви повинні визначити нуль. Ви починаєте рахувати в якийсь момент», — пояснила New Scientist у 2022 році фізик Марта Берхольтс з університету Уппсали у Швеції, яка очолила команду.

«Перевага цього полягає в тому, що вам не потрібно заводити годинник – ви просто дивитесь на структуру перешкод і кажете «добре, минуло 4 наносекунди».

Посібник щодо еволюції хвильових пакетів Рідберга можна використовувати в поєднанні з іншими формами спектроскопії з насосним зондом, які вимірюють події в крихітному масштабі, коли час від часу вони менш чіткі або просто занадто незручні для вимірювання. Важливо, що жоден із відбитків пальців не потребує тоді й тепер, щоб служити точкою відліку та зупинки часу. Це було б схоже на вимірювання гонки невідомого спринтера з кількома конкурентами, які біжать із заданою швидкістю.

Шукаючи сигнатуру заважаючих Рідбергівських станів серед зразка атомів насоса-зонду, техніки могли спостерігати мітку часу для таких швидкоплинних подій, як лише 1,7 трильйонних часток секунди. Майбутні експерименти з квантовим годинником можуть замінити гелій іншими атомами або навіть використовувати лазерні імпульси різної енергії, щоб розширити довідник позначок часу відповідно до більш широкого діапазону умов. Це дослідження було опубліковано в Physical Review Research.