10 ноября 2022

Ученые нашли совершенно новый способ измерения времени

Уппсальский университет

Использование секундомера, механического или электронного, имеющегося в каждом мобильном телефоне, является самым простым способом подсчета количества секунд между точками времени "до", "сейчас" и "после". Однако, в странном квантовом мире, подчиняющемся принципам неопределенности, точки "после" может не существовать, она просто размывается в "тумане вероятностей". И, естественно, никакой секундомер не может измерить такой неопределенный промежуток времени.

Однако, подходящее решение было найдено учеными из Уппсальского университета (Швеция). Они использовали волновую природу так называемого атома Ридберга в качестве измерителя промежутков времени, не требующего точной установки начальной точки отсчета.

Атомы Ридберга являются атомами обычных химических элементов, раздутыми до огромных размеров. Электроны этих атомов возбуждаются светом лазера до максимально возможного энергетического состояния и переходят на орбиту с максимальным диаметром. Процесс получения состояния Ридберга достаточно тонок, для этого подходит далеко не всякий лазер.

Энергия луча лазерного света должна увеличиваться ступенчато для обеспечения перехода электронов на следующий энергетический уровень. Если энергии света будет недостаточно, то электрон не перейдет на следующий уровень, а если ее будет слишком много, то электрон будет выбит из атома и станет свободным электроном, а атом превратится в ион.

Однако, атомы, помещенные в состояние Ридберга, демонстрируют ряд уникальных свойств, которые используют в своих целях разработчики квантовых систем и устройств, функционирующих на экзотических принципах. Математические правила, которым подчиняется поведение атомов Ридберга, имеют общее название - волновой пакет Ридберга.

Как и обычные волны в мире классической физики, волновые пакеты Ридберга представляют собой колебания, создающих уникальные интерференционные шаблоны. И если направить несколько волновых пакетов Ридберга в один "квантовый водоем", то шаблоны их колебаний сложатся, и созданную картину можно будет использовать для измерения сверхкоротких промежутков времени.

В данном случае ученые использовали атомы гелия, превращенные в атомы Ридберга, а интерференционная картина фиксировалась специальным спектрографом, и на ней фиксировались точки событий, между которыми проводилось измерение времени.

"При использовании обычного таймера нам требуется запустить его в момент начала отсчета и остановить его в конце" - пишут ученые, - "В нашем же случае достаточно только взглянуть на интерференционную структуру и сказать - хорошо, между этими двумя событиями прошли 4 наносекунды времени".

Используя такой нетрадиционный метод, шведские ученые смогли измерить промежутки времени между событиями, длительностью в 1.7 трилионных долей секунды. А в будущем ученые планируют попробовать заменить атомы гелия атомами других элементов, использовать лазерные импульсы различных энергий для того, чтобы увеличить разрешающую способность измерения времени и адаптировать данную технологию для работы в более широких диапазонах условий окружающей среды.