Физики Массачусетского технологического института (MIT) представили новый способ измерения времени, который делает оптические атомные часы вдвое точнее. Им удалось преодолеть так называемый квантовый шум — фундаментальное ограничение, мешающее полностью раскрыть потенциал этих сверхточных приборов. Разработка открывает путь к созданию компактных переносных часов, способных не только синхронизировать навигацию и телекоммуникации, но и регистрировать тёмную материю, предсказывать землетрясения и проверять фундаментальные физические законы.
Атомные часы измеряют время по колебаниям атомов, которые можно сравнить с идеальным маятником: каждый атом колеблется с неизменной частотой. В традиционных приборах используются атомы цезия, совершающие свыше десяти миллиардов колебаний в секунду. Современные оптические часы перешли на более быстрые элементы — например, иттербий, частота колебаний которого достигает ста триллионов в секунду. Теоретически это обеспечивает исключительную точность, но на практике её ограничивает квантовый шум — случайные флуктуации, маскирующие естественный ритм атомов и задающие предел наблюдений.
Учёные из MIT нашли способ усилить атомный сигнал и сделать его менее уязвимым для шумов. Новый метод, получивший название глобальной фазовой спектроскопии, использует эффект, ранее считавшийся второстепенным. При взаимодействии лазера с атомами иттербия в их состоянии возникает глобальная фаза, отражающая частоту излучения. Исследователи показали, что если усилить этот сигнал с помощью квантового запутывания, можно точнее определить разницу между частотой лазера и атомным колебанием. Это позволило почти вдвое повысить разрешающую способность измерений по сравнению с предыдущими системами.
«Мы обнаружили, что теперь можем различать почти вдвое меньшие изменения оптической частоты — фактически наблюдать в два раза больше тиков в секунду, не упираясь в квантовый предел шума», — пояснил первый автор работы Леон Запорски.
Эта работа стала продолжением многолетних экспериментов лаборатории Владана Вулетича, одного из ведущих специалистов по квантовым измерениям. Ещё в 2020 году его команда показала, что точность часов можно повысить, если с помощью лазера создать запутанное состояние сотен атомов иттербия. В такой системе атомы ведут себя как единое квантовое целое и «разделяют» шум, снижая его влияние. Тогда точность ограничивала нестабильность самого лазера: даже минимальные колебания частоты нарушали синхронизацию.
В 2022 году группа Вулетича применила метод временного реверса: после запутывания атомы на короткое время возвращались в исходное состояние, что усиливало различие между сигналами лазера и атомных колебаний. Однако тот эксперимент проводился с микроволновыми часами, где рабочая частота примерно в десять тысяч раз ниже, чем у оптических. Перенести эту схему в оптический диапазон долгое время не удавалось.
В новом исследовании команда нашла решение. Учёные показали, что глобальная фаза, возникающая при взаимодействии лазера с запутанными атомами, может служить индикатором частоты излучения. Усиление этого сигнала с помощью квантовой корреляции позволило не только точнее измерять частоту атомных колебаний, но и оперативно компенсировать дрейф лазера — основную причину потери стабильности.
«Можно подумать, что мы ничего не сделали, — говорит Вулетич. — Обычно эта глобальная фаза считается несущественной, но в ней действительно содержится информация о частоте лазера».
Достижение открывает путь к практическому использованию оптических часов вне лабораторий. До сих пор такие системы требовали громоздких установок с вибро- и термостабилизацией. Новый подход позволит сделать приборы компактнее, устойчивее и экономичнее. По словам Вулетича, это приблизит создание переносных квантовых измерительных комплексов, которые смогут работать в реальных условиях.
«Мы надеемся, что наш метод поможет сделать эти часы мобильными и пригодными для применения там, где они действительно нужны», — отметил он.
Совершенствованные оптические часы могут применяться далеко за пределами хронометрии. Благодаря чувствительности к малейшим изменениям гравитационного поля они способны фиксировать тектонические сдвиги и аномалии плотности под землёй, а значит — использоваться для раннего предупреждения о землетрясениях. В астрофизике такие устройства могут помогать искать следы тёмной материи, если она влияет на течение времени через гравитационные эффекты.
Работа опубликована в журнале Nature и выполнена при поддержке Управления военно-морских исследований США, Национального научного фонда, DARPA и Министерства энергетики США. Исследователи считают, что глобальная фазовая спектроскопия может стать основой для следующего поколения квантовых сенсоров и задать новый стандарт измерения времени.