Физики «запутали» атомные часы, находящиеся в двух метрах друг от друга
Физики из Оксфордского университета смогли запутать оптические атомные часы, которые находились на расстоянии 2 м друг от друга. Синхронизация двух таких часов позволяет исследовать пространственно-временные изменения фундаментальных констант.
Атомные часы в своей работе опираются на резонансную частоту атомов — частоту электромагнитного излучения, испускаемого электроном при переходе с одного энергетического уровня на другой. Эта частота неизменна и измеряется с помощью лазеров. Таким образом, секунда исторически определяется как точная длительность 9 192 631 770 колебаний перехода между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Более точные оптические атомные часы основаны на атомах, энергетические переходы которых происходят на оптических частотах (алюминий, стронций, ртуть и т.д.). Вторые должны быть переопределены в соответствии с этими часами. Однако для начала нужно продемонстрировать методы точного сравнения различных оптических часов по всему миру. Исследователи поставили перед собой задачу соединить двое часов таким образом, чтобы требовалось только одно измерение.
«Измерения независимых систем ограничены стандартным квантовым пределом; измерения запутанных систем могут превысить стандартный квантовый предел и достичь предельной точности, допускаемой квантовой теорией — предела Гейзенберга», — объяснили они.
Ранее уже проводились локальные эксперименты по запутыванию на микроскопических расстояниях. Они показали, что такой подход уменьшает погрешность измерений. Так, в 2020 году учёные Массачусетского технологического института разработали часы, измеряющие колебания запутанных атомов (около 350 атомов иттербия). Первый лазер использовался для квантового запутывания атомов, а второй — для измерения их средней частоты. Исследователям удалось добиться аналогичной точности, но в четыре раза быстрее.
Теперь команда из Оксфорда использовала двое атомных часов из одного иона стронция (88Sr+) каждые. Их поместили на расстоянии 2 м друг от друга. С помощью лазера ионы стронция возбудили так, что они излучали синий свет. Его направили по оптическому волокну в анализатор состояний Белла (анализатор состояний максимальной квантовой запутанности двух частиц). Два иона были запутанными через фотонную связь, поэтому измерение одних часов давало доступ к измерению других. Для сравнения частоты между ионами исследователи сообщают о погрешности около 7% (по сравнению с 28% в случае, когда часы не запутаны).
«Мы обнаружили, что запутанность уменьшает неопределённость измерений почти на √2, что является ожидаемым значением для предела Гейзенберга», — говорят исследователи.
Согласно законам квантовой физики, частоту часов с идеальной точностью измерить невозможно. Современные оптические часы, как правило, ограничены фазовым сдвигом зондирующего лазера. В этом эксперименте запутанность уменьшила погрешность измерений вдвое по сравнению с обычными методами корреляционной спектроскопии.
Исследователи считают, что потенциально эта сеть из двух узлов может быть расширена «на другие узлы, на другие виды пойманных частиц или, посредством локальных операций, на более крупные запутанные системы». Так, можно выбрать ион, переход которого имеет пониженную чувствительность к магнитному полю, более узкую ширину линии или повышенную чувствительность к фундаментальным константам. Применение локальных операций для увеличения числа чередующихся ионов в каждом узле позволит ещё больше уменьшить погрешность измерений для сравнения частот.
В случае успеха этого эксперимента с часами, расположенными дальше друг от друга, например, в двух разных лабораториях, или с большим количеством часов, можно будет получить реальный вклад в изучение тёмной материи или гравитационных волн.
