Открыт новый способ измерения времени

Мы привыкли, что отсчет секунд, минут, часов — это простой способ понять продолжительность между «тогда» и «сейчас». Однако на квантовом уровне «тогда» не всегда можно представить. Что еще хуже, «сейчас» часто растворяется в тумане неопределенности. Привычный способ измерения времени просто не подойдет для многих случаев на уровне частиц.

По мнению исследователей из Упсальского университета (Швеция), потенциальное решение может быть найдено в форме самого квантового тумана. Эксперименты над волновой природой атомов Ридберга открыли новый способ измерения времени, не требующий точной отправной точки. Научная статья вышла в Physical Review Research, о ней рассказывает ScienceAlert.

Атомы Ридберга — это чрезмерно увеличенные «воздушные шары» царства частиц. Надутые лазерами, эти атомы содержат электроны в чрезвычайно высоких энергетических состояниях, обращающихся по орбитам далеко от ядра.

Лазеры обычно применяются для перевода электронов в более высокие энергетические состояния. Можно также использовать второй лазер для отслеживания изменений положения электрона, в том числе с течением времени.

Приведение атомов в ридберговские состояния — удобный прием, когда речь идет о разработке новых компонентов для квантовых компьютеров. Но из-за квантового принципа неопределенности (когда нельзя одновременно измерить положение частицы и ее скорость), картина меньше всего походит на бусинки, скользящие по крошечным проволочкам, и больше — на вечер за рулеткой, где после каждого броска шарик может выпрыгнуть, где угодно.

Однако мы все помним, что частица может одновременно являться также и волной (спрашивать «почему» бесполезно — таков один из парадоксов квантового мира, ответ будет: «Ну вот так»). Обычные волны в пруду создают интерференцию — при наложении волн друг на друга они могут увеличиваться или уменьшаться. В результате образуются уникальные узоры ряби в каждый момент времени на каждом водоеме. Бросьте достаточно ридберговских волн в один и тот же атомный «пруд», и каждый из этих уникальных «рисунков» будет представлять собой определенное время.

Оказалось, что эти узоры на атомах Ридберга достаточно постоянны и надежны, чтобы служить квантовой отметкой времени. Ученые измеряли возбуждение лазером атомов гелия и сопоставляли результаты с теоретическими предсказаниями. Все сошлось: путеводитель по ридберговским волнам можно использовать.

Важно отметить, что ни один этих из «отпечатков пальцев» не требует понятий «тогда» и «сейчас», чтобы служить отправной точкой. Время здесь относительно в высшей степени — метка работает только для этого атома в этом состоянии под этой мощностью лазера. Однако это все равно поможет составить обширные таблицы меток относительного отсчета времени, которые будут помогать ученым в разных квантовых экспериментах.

Выискивая сигнатуры интерферирующих ридберговских состояний среди атомов, авторы исследования могли наблюдать временную метку для событий столь мимолетных, как всего 1,7 лишь триллионных доли секунды.

Квантовая криптография против квантового компьютера: невероятное будущее физики?

Прорыв на пути к квантовому компьютеру: работающий кремниевый чип с шестью кубитами