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 «тогда» не всегда можно предвидеть. Что еще хуже, «сейчас» часто расплывается в тумане неопределенности. Секундомер просто не будет работать для некоторых сценариев.
Согласно исследованию 2022 года, проведенному исследователями из Упсальского университета в Швеции, потенциальное решение может быть найдено в самой форме самого квантового тумана.
Их эксперименты над волнообразной природой явления, называемого состоянием Ридберга, открыли новый способ измерения времени, не требующий точной отправной точки.
Атомы Ридберга — это чрезмерно надутые воздушные шары царства частиц. Надутые лазерами вместо воздуха, эти атомы содержат электроны в чрезвычайно высоких энергетических состояниях, вращающихся по орбитам далеко от ядра.
Конечно, не каждая накачка лазера должна раздувать атом до мультяшных размеров. Фактически, лазеры обычно используются для перевода электронов в более высокие энергетические состояния для различных целей.
В некоторых приложениях можно использовать второй лазер для отслеживания изменений положения электрона, в том числе с течением времени. Эти методы « накачки-зонда » можно использовать, например, для измерения скорости некоторых сверхбыстрых электронных устройств.
Приведение атомов в ридберговские состояния — удобный прием для инженеров , не в последнюю очередь, когда речь идет 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 бусинки, скользящие по крошечным счетам, и больше похожи на вечер за рулеткой, где каждый бросок и прыжок шарика втиснут в единую азартную игру.
Книга математических правил, стоящая за этой дикой игрой в электронную рулетку Ридберга, называется волновым пакетом Ридберга.
Как и в случае с настоящими волнами, наличие более чем одного ридберговского 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 «отпечатки пальцев» времени решили проверить физики, стоящие за этой серией экспериментов, показав, что они достаточно постоянны и надежны, чтобы служить формой квантовой временной метки.
Их исследования включали измерение результатов возбуждения атомов гелия лазером и сопоставление их результатов с теоретическими предсказаниями, чтобы показать, как их характерные результаты могут оставаться неизменными в течение определенного периода времени.
«Если вы используете счетчик, вы должны определить ноль. Вы начинаете считать в какой-то момент», — объяснила New Scientist в 2022 году физик Марта Берхольц из Упсальского университета в Швеции, возглавлявшая команду.
«Преимущество этого заключается в том, что вам не нужно запускать часы — вы просто смотрите на интерференционную структуру и говорите: «Хорошо, прошло 4 наносекунды».
Путеводитель по эволюционирующим ридберговским волновым пакетам можно использовать в сочетании с другими формами спектроскопии накачки-зонда, 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 «тогда» и «сейчас», чтобы служить отправной точкой и точкой остановки времени. Это все равно, что сравнивать гонку неизвестного спринтера с несколькими соперниками, бегущими с заданной скоростью.
Выискивая сигнатуры интерферирующих ридберговских состояний среди образца атомов зонда-накачки, техники могли наблюдать временную метку для событий столь же мимолетных, как всего 1,7 триллионных доли секунды.
Будущие эксперименты с квантовыми часами могут заменить гелий другими атомами или даже использовать лазерные импульсы разной энергии, чтобы расширить справочник временных меток, чтобы соответствовать более широкому диапазону условий.
Это исследование было опубликовано в Physical Review Research.