Специалисты из Массачусетского технологического института добились значительного прогресса в сфере квантовых технологий, представив методику, позволяющую в два раза увеличить точность оптических часов. Данное достижение не только создает предпосылки для разработки более совершенных систем, необходимых для будущей цифровой инфраструктуры, но и способно оказать содействие в исследовании таких таинственных явлений, как темная материя. Современные технологии, такие как системы глобального позиционирования и взаимодействие вычислительных устройств, основываются на высокоточном отсчете времени, который обеспечивается атомными часами на цезии. Однако растущие потребности общества в вычислительных ресурсах обуславливают необходимость перехода к более быстрым и стабильным оптическим часам, использующим атомы иттербия, демонстрирующие невероятно высокую частоту колебаний – до 100 триллионов раз в секунду.
Квантовый шум, вызывающий искажение точных измерений колебаний атомов, представляет собой основное препятствие. Физики из Массачусетского технологического института, изучая эту проблему, выявили ранее не учтенное влияние лазеров, используемых в часах, на атомы. Разработанный ими метод использует лазер для регулирования квантовой запутанности атомов иттербия, что позволило увеличить точность работы часов в два раза. Ученые полагают, что использование большего числа атомов может привести к дальнейшему улучшению результатов.
Разработка портативных атомных часов – одна из перспективных задач, позволяющая проводить измерения непосредственно в интересующих местах для изучения различных явлений. По словам Владимира Вулетича, одного из соавторов исследования, такие часы помогут ученым в поисках темной материи и темной энергии, в проверке фундаментальных сил природы и даже в прогнозировании землетрясений. Предлагаемый новый подход позволит сделать эти часы удобными для транспортировки и использования в необходимых локациях.
Новый подход базируется на методике «квантового обращения времени». Суть заключается в предварительной запутывании атомов с последующим их разупорядочиванием, что позволяет усилить полезный сигнал по сравнению с шумом. Важным открытием стало осознание того, что лазер, работающий на частоте, близкой к оптической частоте атомов, оставляет в них фиксируемый след – «память» о своём воздействии, даже когда атомы возвращаются к первоначальному энергетическому уровню. Этот сохраняющийся фазовый сдвиг содержит сведения о стабильности лазера, что и обеспечивает существенное повышение точности измерений. Лабораторные испытания продемонстрировали результативность метода, увеличив точность оптических атомных часов в два раза и предоставив перспективы для разработки стабильных и компактных устройств нового поколения.