Атомные часы - самые точные хронометристы в мире. Эти изысканные приборы используют лазеры для измерения колебаний атомов, которые колеблются с постоянной частотой, подобно многим микроскопическим маятникам, качающимся синхронно. Лучшие атомные часы в мире показывают время с такой точностью, что, если бы они работали с самого начала Вселенной, сегодня они бы отстали всего на полсекунды.

Тем не менее, они могли быть еще более точными. Если бы атомные часы могли более точно измерять колебания атомов, они были бы достаточно чувствительны, чтобы обнаруживать такие явления, как темная материя и гравитационные волны. С более совершенными атомными часами ученые могли бы также начать отвечать на некоторые умопомрачительные вопросы, такие как, например, какое влияние гравитация может оказывать на течение времени и изменяется ли само время по мере старения Вселенной.

Теперь новый вид атомных часов, разработанный физиками Массачусетского технологического института, может позволить ученым исследовать такие вопросы и, возможно, открыть новую физику.

Исследователи сообщают в журнале Nature, что они построили атомные часы, которые измеряют не облако случайно колеблющихся атомов, как сейчас измеряют современные конструкции, а атомы, которые были квантово запутаны. Атомы соотносятся таким образом, что это невозможно по законам классической физики, и это позволяет ученым более точно измерять колебания атомов.

Новая установка может достичь той же точности в четыре раза быстрее, чем часы без запутывания.

"Оптические атомные часы с улучшенной запутанностью могут достичь большей точности за одну секунду, чем современные оптические часы",-говорит ведущий автор Эдвин Педрозо-Пеньяфьель, постдок исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института.

Если бы современные атомные часы были приспособлены для измерения запутанных атомов, как это делает команда Массачусетского технологического института, их хронометраж улучшился бы настолько, что за весь возраст Вселенной часы были бы менее чем на 100 миллисекунд отстающими.

Другими соавторами статьи из Массачусетского технологического института являются Симона Коломбо, Чи Шу, Альберт Адиятуллин, Зеян ли, Энрике Мендес, Борис Браверман, Акио Кавасаки, Сайсуке Акамацу, Яньхун Сяо и Владан Вулетик, профессор физики Лестера Вулфа.

Ограничение по времени

С тех пор как люди начали отслеживать ход времени, они делают это с помощью периодических явлений, таких как движение Солнца по небу. Сегодня колебания в атомах являются наиболее стабильными периодическими явлениями, которые могут наблюдать ученые. Кроме того, один атом цезия будет колебаться с той же частотой, что и другой атом цезия.

Чтобы сохранить идеальное время, часы идеально отслеживали бы колебания одного атома. Но в этом масштабе атом настолько мал, что ведет себя согласно таинственным правилам квантовой механики: при измерении он ведет себя как перевернутая монета, которая только при усреднении по многим переворотам дает правильные вероятности. Это ограничение физики называют стандартным квантовым пределом.

"Когда вы увеличиваете число атомов, среднее значение, данное всеми этими атомами, идет к чему-то, что дает правильное значение", - говорит Коломбо.

Вот почему современные атомные часы предназначены для измерения газа, состоящего из тысяч атомов одного и того же типа, чтобы получить оценку их средних колебаний. Типичные атомные часы делают это, сначала используя систему лазеров, чтобы загнать газ ультраохлажденных атомов в ловушку, образованную лазером. Второй, очень стабильный лазер, с частотой, близкой к частоте колебаний атомов, посылается для зондирования атомных колебаний и, таким образом, отслеживания времени.

И все же стандартный квантовый предел все еще действует, а это означает, что даже среди тысяч атомов существует некоторая неопределенность относительно их точных индивидуальных частот. Именно здесь Вулетик и его группа показали, что квантовая запутанность может помочь. В общем, квантовая запутанность описывает неклассическое физическое состояние, в котором атомы в группе показывают коррелированные результаты измерений, хотя каждый отдельный атом ведет себя как случайный бросок монеты.

Ученые рассудили, что если атомы запутаны, то их индивидуальные колебания будут сжиматься вокруг общей частоты с меньшим отклонением, чем если бы они не были запутаны. Таким образом, средние колебания, которые будут измеряться атомными часами, будут иметь точность, превышающую стандартный квантовый предел.

Запутанные часы

В своих новых атомных часах Вулетик и его коллеги запутывают около 350 атомов иттербия, который колеблется с той же очень высокой частотой, что и видимый свет, то есть любой атом колеблется в 100 000 раз чаще за одну секунду, чем цезий. Если колебания иттербия можно точно отследить, ученые могут использовать атомы, чтобы различать все меньшие интервалы времени.

Группа использовала стандартные методы, чтобы охладить атомы и поймать их в оптическую полость, образованную двумя зеркалами. Затем они послали лазер через оптический резонатор, где он пинг-понговал между зеркалами, взаимодействуя с атомами тысячи раз.

"Это похоже на то, что свет служит связующим звеном между атомами", - объясняет Шу. "Первый атом, который видит этот свет, немного изменит свет, и этот свет также изменит второй атом, и третий атом, и через много циклов атомы коллективно узнают друг друга и начинают вести себя аналогично."

Таким образом, исследователи квантово запутывают атомы, а затем используют другой лазер, подобный существующим атомным часам, для измерения их средней частоты. Когда команда провела аналогичный эксперимент без запутывания атомов, они обнаружили, что атомные часы с запутанными атомами достигли желаемой точности в четыре раза быстрее.

"Вы всегда можете сделать часы более точными, измеряя дольше", - говорит Вулетик. - Вопрос в том, сколько времени нужно, чтобы достичь определенной точности. Многие явления необходимо измерять в быстрых временных масштабах."

Он говорит, что если бы современные атомные часы можно было приспособить для измерения квантово запутанных атомов, они не только сохранили бы лучшее время, но и помогли бы расшифровать сигналы во Вселенной, такие как темная материя и гравитационные волны, и начали бы отвечать на некоторые вековые вопросы.

- С возрастом Вселенной скорость света меняется? Изменяется ли заряд электрона?" Vuletic говорит. -Это то, что можно исследовать с помощью более точных атомных часов."

ИСТОЧНИК