№ 3

Сентябрь/2022

Russian Traveler 03/2022

Ученые открыли совершенно новый способ измерения времени

Фото: Wikimedia Commons

Ридберговская волновая функция атома

С помощью квантовых волн.

Отмечать ход времени в мире тикающих часов и качающихся маятников – это просто, нужно всего лишь посчитать секунды между «тогда» и «сейчас». Однако на квантовом уровне условное «тогда» не всегда можно предвидеть. Что еще хуже, «сейчас» часто тоже растворяется в тумане неопределенности. Секундомер попросту не подходит для некоторых сценариев измерения времени. 

По мнению исследователей из Уппсальского университета в Швеции, потенциальное решение может быть найдено в самой форме этого квантового тумана. Их эксперименты над волновой природой того, что называется состоянием Ридберга, открыли новый способ измерения времени, не требующий точной отправной точки.

Ридберговские атомы напоминают воздушные шары, которые «надуты» энергией лазера вместо воздуха. Эти атомы содержат электроны в чрезвычайно высоких энергетических состояниях, обращающихся по орбитам далеко от ядра.

Конечно, не каждая «накачка» лазером должна раздувать атомы до гигантских размеров. Обычно лазеры используются для перевода электронов в более высокие энергетические состояния для различных целей.

В некоторых случаях можно использовать второй лазер для отслеживания изменений положения электрона, в том числе с течением времени. Эти методы можно использовать, например, для измерения скорости некоторых сверхбыстрых электронных устройств.

Перевод атомов в ридберговские состояния – удобный трюк для инженеров. Он полезен не в последнюю очередь тогда, когда речь идет о разработке новых компонентов для квантовых компьютеров. В свою очередь, физики накопили значительный объем информации о том, как движутся электроны, когда их переводят в ридберговское состояние.

Однако, будучи представителями квантового мира, атомы Ридберга играют с нами в своеобразную рулетку, где каждый бросок и прыжок атома происходит в рамках единой игры. Книга математических правил этой игры – волновой пакет Ридберга. Так называют локализованное квантовое состояние для ридебрговских атомов. 

Точно так же, как при волнении в пруду, наличие более чем одного волнового пакета, колеблющегося в пространстве, создает интерференцию, в результате чего образуются уникальные узоры ряби. Бросьте достаточно ридберговских волновых пакетов в один и тот же атомный пруд, и каждый из этих уникальных паттернов будет представлять собой определенное время, необходимое для того, чтобы волновые пакеты «эволюционировали» в соответствии друг с другом. 

Именно эти уникальные «отпечатки пальцев» времени решили проверить физики, показав, что они достаточно постоянны и надежны, чтобы служить формой квантовой отметки времени. В своих экспериментах физики возбуждали атомы гелия лазером и сопоставляли результаты с теоретическими предсказаниями.

«Если вы используете обычный счет времени, вы должны определить, с какого моменты начинаете считать. Вы начинаете считать в какой-то момент. Преимущество нового метода заключается в том, что вам не нужно запускать часы – вы просто смотрите на интерференционную структуру и говорите: "Окей, прошло четыре наносекунды"», – Марта Берхольц, ведущий автор исследования.

Важно отметить, что ни один из отпечатков пальцев не требует понятий «тогда» и «сейчас», чтобы служить отправной точкой и точкой остановки времени. 

Выискивая сигнатуры интерферирующих ридберговских состояний среди образца атомов, ученые смогли наблюдать временную метку для невероятно мимолетных событий: например, получилось отмерить всего 1,7 триллионных доли секунды. В будущих экспериментах с квантовыми часами гелий может быть заменен другими атомами, отмечают авторы работы.