Ученые доказали, что квантовая запутанность работает на расстоянии нескольких метров
Физики уже давно знают, что «запутывание» атомов (это специальный термин) может помочь связать частицы настолько, чтобы сделать часы намного точнее, но большинство экспериментов смогли продемонстрировать это только в самом маленьком масштабе.
Группа исследователей из Оксфордского университета в Великобритании расширила этот предел до двух метров, доказав, что математические расчеты остаются верными даже на очень больших для отдельных атомов пространствах. Это не только могло бы улучшить общую точность оптических атомных часов, но и позволило бы сравнить уровень времени нескольких часов в долях секунды до такой степени, что могло бы выявить в ряде физических явлений сигналы, которые раньше попросту нельзя было засечь.
Как устроены атомные часы
Как следует из названия, оптические атомные часы используют свет для отслеживания движения атомов, чтобы, в свою очередь, отслеживать время. Как ребенок на качелях, компоненты атомов качаются туда-сюда при жестких константах. Все, что нужно, это надежный толчок — например, выпущенный из лазера фотон — чтобы привести эти «качели» в движение.
На протяжении многих лет физики протестировали различные методы и материалы, чтобы продвинуть технологию до такой степени, когда разница в частотах движений атомов едва ли составляет погрешность в секунду за все 13 с лишним миллиардов лет существования Вселенной — уровень точности, который означает, что нам нужно переосмыслить сам способ, которым мы измеряем время.
Какой бы тонкой ни была эта технология, наступает момент, когда сами правила хронометража становятся немного расплывчатыми из-за неопределенностей квантового ландшафта. Например, более высокие частоты света могут повысить точность, но это происходит за счет небольших неопределенностей между выбросом фотона и реакцией атома, которые становятся все более важными. Их, в свою очередь, можно сгладить, прочитав атом несколько раз, что тоже не так просто.
Идеальным было бы чтение «одиночного выстрела» фотона с правильным типом лазерного импульса. Физики знают, что неопределенность этого подхода можно уменьшить, если судьба измеряемого атома уже связана с другим атомом. Запутанность — это одновременно интуитивная и причудливая концепция. Согласно квантовой механике, нельзя сказать, что объекты имеют значение или состояние, пока у них нет наблюдателя.
Но если они уже являются частью большей системы — возможно, благодаря обмену фотонами с другими атомами — всем частям системы суждено дать относительно предсказуемый результат. Это сродни подбрасыванию двух монет из одного кошелька, но мы точно знаем, что если одна выпадет орлом, то другая выпадет решкой, даже когда они все еще крутятся в воздухе.
Результаты эксперимента
Две «монеты» в данном случае представляли собой пару ионов стронция, запутавшихся в фотоне, посланном по короткому оптическому волокну. Само по себе испытание не дало революционного уровня точности в оптических атомных часах, хотя это и не предполагалось. Вместо этого команда показала, что, запутав заряженные атомы стронция, они могут уменьшить неопределенность измерения в условиях, которые должны позволить им повысить точность в будущем.
Знание макроскопических расстояний в несколько метров не представляет проблемы, теперь теоретически возможно запутать оптические атомные часы по всему миру, чтобы повысить их точность.
Даже вне исследований использование запутанности для уменьшения неопределенности в квантовых измерениях может иметь применение во всем, от квантовых вычислений до шифрования и связи.
