Атомные часы, разработанные в 1950-х годах, до сих пор являются самыми точными устройствами для измерения времени. Группа ученых из Уппсальского университета в Швеции разработала еще более точное и инновационное устройство для измерения времени. Оно может измерять временную задержку между двумя моментами (т.е. измерять течение времени), но без подсчета прошедших секунд.
Атомные часы полагаются на неизменную частоту электромагнитного излучения, испускаемого электроном при переходе с одного энергетического уровня на другой, для обеспечения точности и стабильности создаваемого им колебательного сигнала. С 1967 года секунда определяется как точная длительность 9 192 631 770 колебаний перехода между гиперфинными уровнями основного состояния атома цезия 133. Эти часы являются основой для международного атомного времени и всемирного координированного времени.
Рассматриваемый здесь квантовый хронометр может измерять течение времени, но без подсчета секунд. Это совершенно новый способ измерения времени. Устройство основано на технике, называемой «зонд-насос», которая позволяет измерять сверхбыстрые явления в веществе с помощью очень коротких лазерных импульсов. В частности, короткий, интенсивный лазерный импульс (насос) подается на облако атомов, поднимая их до более высоких энергетических уровней; затем второй, более слабый импульс (зонд) используется для измерения эффекта накачки.
Такие эксперименты с зондом и насосом широко используются в материаловедении, поскольку они позволяют наблюдать за преобразованиями материала на молекулярном уровне и получать информацию о динамике распада возбуждения, генерируемого лазерным импульсом. Однако иногда трудно измерить время, которое проходит между насосом и зондом. Квантовые часы, разработанные шведской командой, позволяют обойти эту проблему.
Чтобы разработать новый вид часов, исследователи сначала направили лазерный луч на облако атомов гелия. Затем атомы оказались в суперпозиции квантовых состояний (они одновременно находились на нескольких энергетических уровнях); исследователи называют это когерентной суперпозицией состояний Ридберга. Эти энергетические уровни взаимодействуют, создавая интерференционную картину, которая меняется со временем — как можно увидеть в знаменитом эксперименте Юнга с щелью, в котором интерферируют два световых луча от одного и того же источника.
Ученые измерили эту интерференционную картину в течение 1,7 пикосекунд, а затем сравнили ее с результатами интерференционного моделирования; они смогли определить уникальный временной интервал, в котором картины совпадали, что позволило им точно определить, как долго атомы гелия находились в состоянии суперпозиции.
«Мы показали, что колебания, возникающие в результате набора высоковозбужденных ридберговских состояний, сходящихся на пороге ионизации, приводят к уникальной интерференционной картине, которая не повторяется в течение всего времени жизни ридберговского волнового пакета. Мы называем эти колебания квазиуникальными сигнатурами биений (QUBS), потому что они дают отпечаток эволюционного времени, прошедшего с момента создания волнового пакета«, — объясняют исследователи в журнале .
В отличие от других часов, таких как механические, кварцевые или атомные, которые работают путем подсчета количества колебаний от четко определенной частоты, таймер на основе QUBS не использует счетчик: он предоставляет отпечаток пальца, представляющий определенное время, и поэтому требует взаимодействия только при инициализации и считывании времени.
Другими словами, нет необходимости измерять, когда именно атомы были помещены в состояние суперпозиции. Поскольку этот метод не требует «запуска» часов, он намного проще; нужно просто посмотреть на интерференционную картину и вычислить прошедшее время.
Команда отмечает, что их квантовые часы могут быть адаптированы для обслуживания конкретного эксперимента, поскольку существует несколько возможностей в отношении образцов и требуемых энергий фотонов. «Если нужно использовать импульсы накачки с меньшей энергией фотонов, вместо гелия можно использовать инертные газы, такие как Ne, Ar, Kr и Xe. Увеличение энергии фотонов в импульсе накачки также не является невозможным«, — говорят они.
Этот подход будет очень полезен в экспериментах, где необходимо измерить временную задержку в малогабаритных системах, поскольку он чрезвычайно точен. Это позволит исследователям проводить чрезвычайно быстрые измерения систем, которые развиваются во времени, например, падение одной молекулы, квантовые взаимодействия между светом и веществом или воздействие магнитного поля на материал. Однако он не будет применим к измерению времени в более общем смысле, подчеркивают эксперты.