Fizičari pronašli potpuno novi način za merenje vremena na kvantnom nivou

Određivanje protoka vremena u našem svetu otkucavajućih satova i oscilirajućih klatna je jednostavno brojanje sekundi između „nekad“ i „sad“.

Na kvantnom nivou zujećih elektrona, pak, „nekad“ se ne može uvek anticipirati. Još gore, „sad“ se često rasplinjuje u maglu neodređenosti. Štoperica prosto neće funkcionisati u nekim situacijama. Potencijalno rešenje može biti baš u obliku same kvantne magle, kaže studija iz 2022. sa švedskog Univerziteta u Upsali.

Preporučujemo

Eksperimenti o talasnoj prirodi takozvanog Ridbergovog stanja otkrili su novi način merenja vremena bez potrebe za peciznom početnom tačkom.

Ridbergovi atomi su prenaduvani baloni carstva čestica. Naduvani laserima umesto vazduhom, ovi atomi sadrže elektrone u krajnje visokoenergetskim stanjima, u orbitama daleko od jezgra.

Naravno, ne mora svaka laserska pumpa da naduva atom do preteranih razmera. U stvari, laseri se rutinski koriste za dovođenje atoma u viša energetska stanja radi raznih upotreba.

U nekim primenama, drugi laser se može koristiti za nadgledanje promena u poziciji elektrona, uključujući protok vremena. Ove tehnike mogu se, na primer, upotrebiti za merenje brzine izvesne ultrabrze elektronike.

Dovođenje atoma u Ridbergova stanja je zgodan trik za inženjere, naročito u dizajniranju novih komponenata kvantnih računara. Naravno, fizičari imaju veliku količinu informacija o načinu kretanja elektrona u Ridbergovom stanju.

Pošto su poput kvantnih životinja, njihova kretanja su manje kao klizanje kuglica računaljke, a više kao veče za stolom sa ruletom, gde svako kotrljanje i poskakivanje kuglice predstavljaju igru na sreću.

Matematičko uputstvo za ovaj Ridbergov elektronski rulet naziva se Ridbergov talasni paket. Baš kao kod pravih talasa, više od jednog Ridbergovog talasnog paketa u prostoru stvara interferenciju, dovodeći do specifičnih obrazaca talasanja.

Ubacite dovoljno Ridbergovih talasnih paketa u isto atomsko jezerce i ti specifični obrasci će predstavljati određeno vreme potrebno da se talasni paketi razviju u odnosu jedan prema drugom.

Ovi „otisci prstiju“ vremena su ono što su fizičari želeli da testiraju, pokazujući da su dovoljno dosledni i pouzdani da služe kao oblik kvantnog označavanja vremena.

Istraživanje je uključivalo merenje rezultata laserski pobuđenih atoma helijuma i upoređivanje nalaza sa teorijskim predviđanjima radi pokazivanja da mogu predstavljati trajanje vremena.

„Ako koristite neki brojač, morate odrediti nulu. Počnete da brojite u nekom trenutku“, kažu naučnici. „Prednost ovoga je da ne morate da pokrenete sat – samo posmatrate strukturu interferencije i kažete „u redu, to su četiri nanosekunde“.

Uputstvo za razvoj Ridbergovih talasnih paketa može se upotrebiti u kombinaciji sa drugim oblicima spektroskopije koji mere događaje na malenoj skali, kad su sad i nekad manje jasni, ili prosto previše nezgodni za merenje.

Ovi otisci prstiju ne zahtevaju nekad i sad kao početnu i krajnu tačku za vreme. To je kao da merite trku nepoznatog sprintera protiv jednog broja suparnika koji trče određenim brzinama.

Tragajući za potpisom interferirajućih Ridbergovih stanja u uzorku atoma, tehničari su mogli da osmotre vremensku oznaku za događaje toliko kratkotrajne kao 1,7 bilionitih sekunde.

Budući eksperimenti sa kvantnim satom mogli bi zameniti helijum drugim atomima, ili čak koristiti laserske pulseve različitih energija radi proširenja uputstva za vremenske oznake na širi opseg uslova.

(Telegraf Nauka/Science Alert)