Новые атомные часы показывают время еще точнее

Тем не менее, они могли быть еще точнее. Если бы атомные часы могли более точно измерять колебания атомов, они были бы достаточно чувствительными, чтобы обнаруживать такие явления, как темная материя и гравитационные волны.

Имея более совершенные атомные часы, ученые могли бы также начать отвечать на некоторые сложные вопросы, например, какое влияние гравитация может иметь на течение времени и изменяется ли само время с возрастом Вселенной.

Новые атомные часы показывают время еще точнее

Атомные часы нового типа, разработанные физиками Массачусетского технологического института, могут позволить ученым исследовать такие вопросы и, возможно, раскрыть новую физику.

Исследователи сообщают в журнале Nature, что они построили атомные часы, которые измеряют не облако случайно колеблющихся атомов, как сейчас измеряют современные разработки, а вместо них атомы, которые были квантово запутаны. Атомы коррелированы таким образом, который невозможен согласно законам классической физики, и это позволяет ученым более точно измерять колебания атомов.

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

«Оптические атомные часы с усиленной запутанностью будут иметь потенциал для достижения большей точности за одну секунду, чем современные оптические часы», — говорит ведущий автор Эдвин Педрозо-Пеньяфьель, постдок из исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института.

Если бы современные атомные часы были адаптированы для измерения запутанных атомов, как это делает установка команды Массачусетского технологического института, их время улучшилось бы так, что на протяжении всего возраста Вселенной часы были бы меньше, чем на 100 миллисекунд.

Другими соавторами статьи из Массачусетского технологического института являются Симоне Коломбо, Чи Шу, Альберт Адиятуллин, Зеян Ли, Энрике Мендес, Борис Браверман, Акио Кавасаки, Сайсуке Акамацу, Яньхонг Сяо и Владан Вулетич, профессор физики Лестера Вулфа.

С тех пор, как люди начали отслеживать течение времени, они использовали периодические явления, такие как движение солнца по небу. Сегодня колебания в атомах — самые стабильные периодические явления, которые могут наблюдать ученые. Более того, один атом цезия будет колебаться с той же частотой, что и другой атом цезия.

Чтобы поддерживать точное время, часы в идеале должны отслеживать колебания отдельного атома. Но в таком масштабе атом настолько мал, что ведет себя в соответствии с загадочными правилами квантовой механики: при измерении он ведет себя как подброшенная монета, которая дает правильные вероятности только при усреднении по множеству подбрасываний. Это ограничение физики называют стандартным квантовым пределом.

«Когда вы увеличиваете количество атомов, среднее значение, данное всеми этими атомами, приближается к тому, что дает правильное значение», — говорит Коломбо.

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

И все же стандартный квантовый предел все еще работает, а это означает, что все еще существует некоторая неопределенность, даже среди тысяч атомов, 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, даже если каждый отдельный атом ведет себя как случайный подбрасывание монеты.

Команда пришла к выводу, что если атомы запутаны, их индивидуальные колебания будут сжиматься вокруг 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 своих новых атомных часах Вулетик и его коллеги запутали около 350 атомов иттербия, который колеблется с той же очень высокой частотой, что и видимый свет, а это означает, что любой атом колеблется в 100000 раз чаще за одну секунду, чем цезий. Если колебания иттербия можно будет точно отследить, ученые смогут использовать атомы, чтобы различать все меньшие промежутки времени.

Группа использовала стандартные методы для охлаждения атомов и захвата их в оптическом резонаторе, образованном двумя зеркалами. Затем они направили лазер через оптический резонатор, где он прыгнул между зеркалами, тысячи раз взаимодействуя с атомами.

«Как будто 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 множество циклов атомы все вместе узнают друг друга и начнут вести себя одинаково».

Таким образом, исследователи квантово запутывают атомы, а затем используют другой лазер, аналогичный существующим атомным часам, для измерения их средней частоты. Когда команда провела похожий