Ученые Нашли Совершенно Новый Способ Измерения Времени

Определение течения времени в нашем мире тикающих часов и колеблющихся маятников – это простой случай подсчета секунд между “тогда” и “сейчас”.

Однако на квантовом уровне жужжащих электронов “потом” не всегда можно предвидеть. Хуже того, “сейчас” часто расплывается в дымку расплывчатости. Секундомер просто не будет работать в некоторых сценариях.

Согласно исследованию, проведенному в 2022 году учеными из Университета Уппсалы в Швеции, потенциальное решение может быть найдено в самой форме квантового тумана.

Их эксперименты по изучению волнообразной природы так называемого состояния Ридберга выявили новый способ измерения времени, который не требует точной отправной точки.

Атомы Ридберга – это надутые воздушные шары царства частиц. Раздуваемые лазерами вместо воздуха, эти атомы содержат электроны в состояниях с чрезвычайно высокой энергией, вращающиеся далеко от ядра.

Конечно, не каждая лазерная накачка должна раздувать атом до карикатурных пропорций. Фактически, лазеры обычно используются для перевода электронов в состояния с более высокой энергией для различных целей.

В некоторых случаях второй лазер может использоваться для отслеживания изменений положения электрона, включая течение времени. Эти методы “накачки-зондирования” могут быть использованы, например, для измерения скорости некоторых сверхбыстрых электронных устройств.

Приведение атомов в ридберговские состояния – удобный трюк для инженеров, не в последнюю очередь, когда речь заходит о разработке новых компонентов для квантовых компьютеров. Излишне говорить, что физики накопили значительный объем информации о том, как движутся электроны, когда их переводят в ридберговское состояние.

Однако, будучи квантовыми животными, их движения меньше похожи на шарики, скользящие по крошечным счетам, и больше напоминают вечер за столом рулетки, где каждый бросок и прыжок шарика втиснуты в единую азартную игру.

Математический свод правил, лежащий в основе этой дикой игры в электронную рулетку Ридберга, называется волновым пакетом Ридберга.

Точно так же, как и настоящие волны, наличие более чем одного волнового пакета Ридберга, колеблющегося в пространстве, создает интерференцию, приводящую к уникальным узорам ряби. Бросьте достаточное количество волновых пакетов Ридберга в один и тот же атомный пруд, и каждый из этих уникальных паттернов будет представлять определенное время, необходимое для эволюции волновых пакетов в соответствии друг с другом.

Именно эти “отпечатки пальцев” времени физики, стоявшие за этой серией экспериментов, намеревались проверить, показав, что они были достаточно последовательными и надежными, чтобы служить формой квантовой временной метки.

Их исследование включало измерение результатов возбуждения атомов гелия лазером и сопоставление полученных результатов с теоретическими предсказаниями, чтобы показать, как их характерные результаты могут сохраняться в течение длительного времени.

«Если вы используете счетчик, вы должны определить ноль. В какой-то момент вы начинаете считать», – объяснила New Scientist в 2022 году физик Марта Берхольц из Университета Уппсалы в Швеции, возглавлявшая команду.

«Преимущество этого в том, что вам не нужно заводить часы – вы просто смотрите на структуру помех и говорите: “Хорошо, прошло 4 наносекунды”.»

Руководство по эволюционирующим волновым пакетам Ридберга можно было бы использовать в сочетании с другими формами спектроскопии с накачкой и зондированием, которые измеряют события в крошечном масштабе, когда время от времени они менее ясны или просто слишком неудобны для измерения.

Важно отметить, что ни один из отпечатков пальцев не требует, чтобы “тогда” и “сейчас” служили отправной точкой и точкой остановки времени. Это было бы все равно, что сравнивать забег неизвестного спринтера с несколькими конкурентами, бегущими с заданной скоростью.

Отыскивая сигнатуру интерферирующих состояний Ридберга среди образца атомов накачки-зонда, техники могли наблюдать временную метку для событий, столь мимолетных, как всего 1,7 триллионных доли секунды.

Будущие эксперименты с квантовыми часами могли бы заменить гелий другими атомами или даже использовать лазерные импульсы различной энергии, чтобы расширить справочник временных меток для более широкого диапазона условий.

Источник новости Physical Review Research