Kvantinis laikrodis yra „visiškai naujas laiko matavimo būdas“

Marta Berholts iš Uppsala universiteto Švedijoje su kolegomis pagrindė laikrodį vadinamu pompos-zondo eksperimentu. Šiuose bandymuose „pompuojantis” lazerio impulsas pakelia atomų debesį į aukštesnės energijos lygį, o tuomet kitu, mažiau galingu, „zondinis“ impulsu išmatuojamas „pompos“ poveikis.

Šie eksperimentai svarbūs daugelyje medžiagų mokslo sričių, tarp kurių ir fotovoltinių elementų vystymas, bet išmatuoti laiką tarp pompos ir zondo – sunku. Šią problemą išsprendžia šis, helio atomus panaudojantis, kvantinis laikrodis.

„Tai yra visiškai naujas būdas matuoti laiką,” sako Ronny Knut, taip pat Uppsalos universitete dirbantis Berholts komandos narys. „Didinant kitų laikrodžių tikslumą, jie tampa vis sudėtingesni. Bet mes iš tiesų pasukome visiškai priešinga kryptimi – naudojame iš esmės paprasčiausią įmanomą laiko matavimo struktūrą.”

Iš pradžių tyrėjai lazerio impulsą paleido į helio atomų debesį. Taip atomai perkeliami į kvantinių būsenų superpoziciją, tai yra, kad jie buvo daugelyje energijos lygių vienu metu. Šie energijos lygiai sąveikauja tarpusavyje – panašiai kaip garsiajame dvigubo plyšio eksperimente, vienas fotonas gali sklisti per du plyšelius tuo pačiu metu – ir sukurti interferencijos vaizdą, kuris laikui bėgant kinta.

Kai tyrėjai išmatavo šį interferencijos vaizdą vos 1,7 trilijonąją sekundės dalį, jie galėjo palyginti jį su interferencijos simuliacijomis ir aptikti unikalią laiko atkarpą, kuomet vaizdai atitikdavo, rodančią, kiek tiksliai helio atomai buvo superpozicijoje. Kadangi interferencijos raštai nepasikartoja, nesunku vienareikšmiškai įrodyti, kad laikas išmatuotas tiksliai.

Lyginant su tradiciniu laikrodžiu šis būdas pranašesnis, nes nereikia tiksliai matuoti, kada tiksliai atomai atsidūrė superpozicijoje. „Jeigu skaičiuojama, reikia apibrėžti nulį. Skaičiuoti pradedama nuo kažkurio taško,” sako Berholts. „Šio būdo pranašumas, kad nereikia pradėti laikrodžio – užtenka tiesiog pažvelgti į interferencijos struktūrą ir sakai „okei, praėjo 4 nanosekundės.““

„[Tai yra] labai elegantiškas eksperimentas, labai praversiantis, atliekant vadinamus pompos-zondo eksperimentus,” pažymi Gerardas Milburnas iš Queenslando universiteto Australijoje. Platesniam laiko matavimui tai nepasitarnaus, sako jis, bet eksperimentuose, kur svarbu išmatuoti tik delsą tarp dviejų laikų, tai galima atlikti neįtikėtinai tiksliai.

Tokie eksperimentai itin dažnai atliekami, tyrinėjant greitai kintančias mažas sistemas, ir toks tikslumo padidėjimas gali būti lemiamas faktorius. Taip tyrėjai galėtų itin greitai išmatuoti kintančias sistemas, tokias kaip vienos molekulės suirimą, kvantinę šviesos ir medžiagos sąveiką ar medžiagos veikimą magnetiniu lauku.

Leah Crane
www.newscientist.com

Žurnalo nuoroda: Physical Review Research, DOI: 10. 1103/PhysRevResearch.4. 043 041