Czy nowy sposób mierzenia czasu zastąpi zegary? 

Czy nowy sposób mierzenia czasu zastąpi zegary? 

Badacze zajmujący się fizyką kwantową znaleźli nowy sposób mierzenia czasu. Będzie miał on głównie zastosowanie w mierzeniu zdarzeń w mikroskali.  

.Liczenie upływu czasu w świecie zegarów i kołyszących się wahadeł polega na prostym stwierdzeniu, ile minęło sekund pomiędzy “kiedyś” a “teraz”. W skali kwantowej, “kiedyś” nie zawsze można przewidzieć, a “teraz” jest często niepewne i trudne do określenia. W przypadku niektórych scenariuszy stoper po prostu nie wystarczy i przydałby się nowy sposób mierzenia czasu, jak podaje Physical Review Research

Według naukowców z Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji potencjalne rozwiązanie można znaleźć w samym kształcie mgły kwantowej. Czyli polu elektronów wokół jądra atomu, przypominającego chmurę. Ich eksperymenty nad falową naturą stanu Rydberga, ujawniły nowy sposób mierzenia czasu, który nie wymaga precyzyjnego punktu wyjścia. 

Stan Rydberga 

.Atomy Rydberga wykazują nadzwyczajne właściwości. Zawierają elektrony w ekstremalnie wysokich stanach energetycznych, orbitujące daleko od jądra. Atomy te są silnie polaryzowane, a nawet jonizowane przez słabe pola elektryczne lub magnetyczne. Naukowcy używają laserów jako pomp, by niejako nadmuchać atomy i zwiększyć ich rozmiary. Lasery są rutynowo używane by naświetlać elektrony do wyższych stanów energetycznych w różnych zastosowaniach. 

W niektórych zastosowaniach, drugi laser może być użyty do monitorowania zmian w pozycji elektronu, w tym upływu czasu. Te techniki “pompy-sondy” mogą być wykorzystane na przykład do pomiaru prędkości niektórych ultraszybkich układów elektronicznych. Spektroskopia z pompą jest najprostszą techniką eksperymentalną stosowaną do badania ultraszybkiej dynamiki elektronowej. W technice tej ultrakrótki impuls laserowy jest dzielony na dwie części. Silniejsza wiązka (pompa) jest używana do wzbudzenia próbki, generując stan nierównowagi, a słabsza wiązka (sonda) jest używana do monitorowania wywołanych przez pompę zmian stałych optycznych, takich jak odbicie lub transmisja, próbki. Pomiar zmian stałych optycznych w funkcji opóźnienia czasowego pomiędzy nadejściem impulsów pompy i sondy daje informacje o relaksacji stanów elektronicznych w próbce. 

Wprowadzanie atomów w stany Rydberga przydaje się inżynierom, zwłaszcza jeśli chodzi o projektowanie nowych komponentów do komputerów kwantowych. Fizycy zgromadzili znaczną ilość informacji na temat sposobu, w jaki elektrony poruszają się po wprowadzeniu w stan Rydberga. Z racji, że są one zjawiskami kwantowymi ich ruchy są losowe. Matematyczny zbiór zasad stojących za ich poruszaniem określany jest, jako pakiet fal Rydberga. 

Podobnie, jak w przypadku fal na wodzie, zaistnienie więcej niż jednego zbioru fal Rydberga rozchodzącego się w przestrzeni, powoduje interferencję, w wyniku której powstają unikalne ich wzory. Jeśli wystarczająca ilość zbiorów fal Rydberga zaistnieje w jednej grupie atomów, każda będzie posiadać unikalny wzór, który będzie reprezentował odrębny czas potrzebny, aby ewoluowały one zgodnie ze sobą. 

Unikalne wzory  

.To właśnie te unikalne wzory i czas z nimi związany fizycy stojący za najnowszymi eksperymentami postanowili przetestować. Wykazali, że są one wystarczająco spójne i wiarygodne, aby służyć jako forma kwantowego znacznika czasu. Badania polegały na mierzeniu wyników wzbudzonych laserem atomów helu i dopasowaniu ich do teoretycznych przewidywań, aby pokazać, w jaki sposób ich sygnatury mogą stać za czasem. 

Używając jakiegoś licznika potrzeba zdefiniować zero, czyli początek. Trzeba zacząć liczyć w pewnym momencie. Korzyść z nowego odkrycia są takie, że nie trzeba uruchamiać zegara – po prostu patrzysz na strukturę interferencyjną i mówisz ok, minęły 4 nanosekundy – powiedziała fizyk Marta Berholts z Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji i autorka badania. 

Przewodnik po ewoluujących pakietach falowych Rydberga mógłby być używany w połączeniu z innymi formami spektroskopii z sondą pompową, które mierzą zdarzenia w mikro skali, kiedy “teraz” i “wtedy” są mniej wyraźne, lub po prostu nie możliwe do uchwycenia, by je mierzyć. 

Co ważne, żaden z unikalnych wzorów nie wymaga tego, by “wtedy” i “teraz” służyły jako punkt początkowy i końcowy czasu. Szukając sygnatur interferujących stanów Rydberga w próbce atomów z sondą, technicy mogliby zaobserwować znacznik czasu dla zdarzeń tak ulotnych, jak zaledwie 1,7 bilionowej części sekundy. 

.W przyszłych eksperymentach z zegarem kwantowym można by zastąpić hel innymi atomami, a nawet wykorzystać impulsy laserowe o różnych energiach, aby poszerzyć przewodnik po znacznikach czasu i dopasować go do szerszego zakresu warunków.  

Oprac. Emil Gołoś

Materiał chroniony prawem autorskim. Dalsze rozpowszechnianie wyłącznie za zgodą wydawcy. 3 listopada 2022