Оптические атомные часы являются наиболее точными инструментами для измерения времени и частоты. Они являются основой для поддержания международного атомного времени (TAI) и, соответственно, всемирного координированного времени (UTC). Синхронизация двух таких часов позволяет исследовать пространственно-временные изменения фундаментальных констант, но этот манёвр не обладает достаточной точностью из-за помех, вызванных измерениями. Физики из Оксфордского университета нашли способ обойти эту трудность с помощью квантовой запутанности.
Точность атомных часов заключается в том, что они опираются на резонансную частоту атомов — частоту электромагнитного излучения, испускаемого электроном при переходе с одного энергетического уровня на другой, — которая по определению неизменна. Атомные колебания на самом деле являются самыми стабильными периодическими явлениями, которые могут наблюдать ученые. Их частота измеряется очень точно с помощью лазеров. Таким образом, секунда исторически определяется как точная длительность 9 192 631 770 колебаний перехода между сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Еще более точные оптические атомные часы, разработанные в 2000-х годах, основаны на атомах, энергетические переходы которых происходят на оптических частотах (алюминий, стронций, ртуть и т.д.). Вторые должны быть переопределены в соответствии с этими часами, когда они достигнут зрелости. Сначала необходимо продемонстрировать методы надежного и точного сравнения различных оптических часов по всему миру. Это особенно трудная задача, поскольку их измерение вызывает помехи. Поэтому исследователи поставили перед собой задачу соединить два оптических атомных часа таким образом, чтобы требовалось только одно измерение. Погрешность измерений уменьшена в два раза Напомним, что квантовая запутанность двух систем подразумевает, что любое изменение в одной из них мгновенно влияет на другую. Поэтому эта внутренняя связь, вероятно, облегчает синхронизацию часов.
"Измерения независимых систем ограничены стандартным квантовым пределом; измерения запутанных систем могут превысить стандартный квантовый предел и достичь предельной точности, допускаемой квантовой теорией — предела Гейзенберга", — объясняют исследователи в журнале Nature.
Локальные эксперименты по запутыванию на микроскопических расстояниях уже продемонстрировали, что такой подход позволяет уменьшить погрешности измерений и, таким образом, повысить точность оптических атомных часов. В 2020 году ученые Массачусетского технологического института разработали часы, измеряющие колебания запутанных атомов (около 350 атомов иттербия). Первый лазер использовался для квантовой запутывания атомов, затем второй лазер использовался для измерения их средней частоты. Таким образом, они достигли той же точности, что и незапутанные атомные часы, но в четыре раза быстрее.
В новом эксперименте команда использовала не одни, а двое атомных часов, каждый из которых был сделан из одного иона стронция (88Sr+), расположенных на расстоянии двух метров друг от друга. Используя лазер, они возбудили ионы стронция так, что они излучали синий свет. Затем он был направлен по оптическому волокну в анализатор состояний Белла — состояний максимальной квантовой запутанности двух частиц, так что два иона были запутанными через фотонную связь.
Поэтому измерение одних часов сразу давало доступ к измерению других. Для сравнения частоты между ионами исследователи сообщают о погрешности около 7% (по сравнению с 28% в случае, когда часы не запутаны).
"Мы обнаружили, что запутанность уменьшает неопределенность измерений почти на √2, что является ожидаемым значением для предела Гейзенберга", — пишут исследователи.
Согласно законам квантовой физики, невозможно измерить частоту часов с идеальной точностью, но этот эксперимент показывает, что к этому можно приблизиться.
физики Современные оптические часы, как правило, ограничены фазовым сдвигом зондирующего лазера. В этом эксперименте запутанность уменьшила погрешность измерений в 2 раза по сравнению с обычными методами корреляционной спектроскопии, отмечают исследователи.
"Эта сеть из двух узлов может быть расширена на другие узлы, на другие виды пойманных частиц или, посредством локальных операций, на более крупные запутанные системы", — добавляют они.
В частности, они упоминают возможность выбора иона, переход которого имеет пониженную чувствительность к магнитному полю, более узкую ширину линии или повышенную чувствительность к фундаментальным константам. Кроме того, использование локальных операций для увеличения числа чередующихся ионов в каждом узле может еще больше уменьшить погрешность измерений для сравнения частот.
Если этот эксперимент удастся повторить с часами, расположенными дальше друг от друга, например, в двух разных лабораториях, или с большим количеством часов, это может внести реальный вклад в изучение темной материи или гравитационных волн. Фактически, смещение темной материи между двумя запутанными часами или небольшие изменения в силе гравитации немедленно вызовут разницу между частотами их тиканья.