Квантовий хаос став основою для нових мір часу

Дослідники з Уппсальського університету в Швеції розробили інноваційний метод вимірювання часу на квантовому рівні, що базується на аналізі хвилеподібної природи рідбергівських станів атомів.

Визначення плину часу в нашому макросвіті є відносно простим процесом. Ми використовуємо годинники з маятниками та стрілками. Ми рахуємо секунди між “тоді” і “зараз”. Проте на квантовому рівні все працює інакше. На цьому рівні частинки поводяться непередбачувано. Квантова невизначеність розмиває поняття “зараз”.

Рідбергівські стани атомів

Атоми Рідберга можна описати як “перенадуті” частинки мікросвіту. Вони містять електрони в надзвичайно високих енергетичних станах. Ці електрони обертаються далеко від ядра атома. Для створення таких станів науковці використовують лазери.

Спрямування лазерного випромінювання на атоми змушує їхні електрони переходити на вищі енергетичні рівні. Це явище часто використовується в різних галузях фізики. Дослідники можуть застосовувати другий лазер для спостереження за змінами положення електронів. Такі методи “накачування-зондування” дозволяють вимірювати надшвидкі процеси.

Рідбергівські стани мають особливе значення для квантових обчислень. Вони можуть стати ключовими компонентами в розробці квантових комп’ютерів. За роки досліджень фізики накопичили значний обсяг даних про рух електронів у цих станах.

Квантова невизначеність і вимірювання часу

Квантова природа частинок робить їх рух принципово відмінним від класичних об’єктів. Марта Бергольц, керівник дослідницької групи, пояснює: “Якщо ви використовуєте лічильник, вам потрібно визначити нуль. Ви починаєте рахувати з якогось моменту”. На квантовому рівні такий підхід часто не працює.

Математичний опис рідбергівських електронів називають хвильовим пакетом Рідберга. Коли кілька таких хвильових пакетів взаємодіють, вони створюють інтерференційні картинки. Ці патерни унікальні для різних часових інтервалів. Вони відображають еволюцію хвильових пакетів відносно один одного.

Шведські науковці сфокусувалися саме на цих “відбитках” часу. Вони провели серію експериментів із збудженими атомами гелію. Результати досліджень порівнювали з теоретичними прогнозами. Експерименти підтвердили надійність даного методу вимірювання часу.

Переваги нового методу

Новий підхід має суттєві переваги порівняно з традиційними методами. “Перевага цього полягає в тому, що вам не потрібно заводити годинник”, – зазначає Бергольц. Дослідники просто аналізують структуру інтерференції. Це дозволяє точно визначити часовий інтервал.

Метод не потребує чітких “початку” і “кінця” для вимірювання. Часові мітки базуються на самій структурі квантової інтерференції. Це схоже на визначення швидкості бігуна без секундоміра. Замість цього порівнюємо його з іншими спортсменами, швидкість яких відома.

Точність методу вражає своєю надзвичайною прецизійністю. За допомогою інтерференції рідбергівських станів можна виміряти події тривалістю до 1,7 трильйонної секунди. Такий рівень точності відкриває нові горизонти для квантових досліджень.

Перспективи розвитку технології

Майбутні експерименти можуть розширити можливості цього методу. Дослідники планують використовувати різні атоми замість гелію. Також вони розглядають можливість застосування лазерних імпульсів різної енергії. Це дозволить створити ширший “довідник” часових міток.

Технологія може суттєво вплинути на розвиток квантової фізики. Вона допоможе вивчати надшвидкі процеси, які раніше було неможливо виміряти. Результати досліджень опубліковані в престижному науковому журналі Physical Review Research.

Новий метод вимірювання часу демонструє дивовижні можливості квантової фізики. Він підтверджує, що навіть базові поняття, такі як час, набувають нового змісту на квантовому рівні. Подальші дослідження в цьому напрямку можуть змінити наше фундаментальне розуміння природи часу.