В МТИ представили атомные часы с квантовой запутанностью
Физики из Массачусетского технологического института представили новый тип атомных часов. Конструкция, в которой используются запутанные атомы, может помочь в поисках темной материи и изучении влияния гравитации во времени.
Атомные часы считаются самыми точными хронометрами в мире. В них используются лазеры для измерения колебаний атомов постоянной частоты. Лучшие атомные часы в мире отсчитывают время с такой точностью, что, если бы они шли с момента зарождения Вселенной, сегодня отклонились бы только на полсекунды.
Тем не менее, даже эти часы могут быть еще точнее. Ученые задумались над тем, что, если бы атомные часы могли более точно измерять колебания атомов, то были бы достаточно чувствительными, чтобы обнаруживать такие явления, как темная материя и гравитационные волны. Имея более совершенные атомные часы, исследователи могли бы искать ответы на вопросы, например, какое влияние гравитация может оказывать на течение времени и изменяется ли само время с возрастом Вселенной.
Тогда исследователи создали атомные часы, которые измеряют не облако случайно колеблющихся атомов, а квантово запутанные атомы.
Чтобы указывать точное время, часы в идеале должны отслеживать колебания отдельного атома. Но в микромасштабе законы классической механики перестают работать и начинает действовать квантовая механика. В этой ситуации возможно измерить лишь усредненное значение множества колебаний.
Вот почему современные атомные часы измеряют средние показатели колебания тысяч атомов одного и того же типа в газообразной среде. Они используют систему лазеров, чтобы газ из сверхохлажденных атомов сосредоточился в определенном месте. Затем стабильный лазер с частотой, близкой к частоте колебаний атомов, посылается, чтобы исследовать их колебания и отслеживать время. Но работает закон квантовой неопределенности, и точные индивидуальные частоты каждого атома определить невозможно.
Поэтому исследователи решили использовать запутанное состояние атомов. Команда пришла к выводу, что, если атомы запутаны, то их отдельные колебания будут находиться у общей частоты с меньшим отклонением, чем, если бы они не были запутаны. Таким образом, средние колебания, измеряемые атомными часами, будут иметь точность, превышающую Стандартный квантовый предел.
В новых атомных часах ученые запутали около 350 атомов иттербия, который колеблется с той же высокой частотой, что и видимый свет, то есть в 100 000 раз чаще за одну секунду, чем цезий. Группа использовала стандартные методы для охлаждения атомов и захвата их в оптическом резонаторе из двух зеркал. Затем через оптический резонатор пропустили лазер, где он запутался с атомами. Другой лазер использовали для измерения средней частоты колебаний запутанных атомов.
Новая установка обеспечивает точность измерений в четыре раза быстрее.
«Оптические атомные часы с запутанностью могут достичь большей точности за одну секунду», — говорит ведущий автор исследования Эдвин Педрозо-Пеньяфьель, постдок из Исследовательской лаборатории электроники МТИ.
Если бы эти атомные часы шли с момента зарождения Вселенной, то отставание было бы меньше, чем на 100 миллисекунд.
См. также:
