Определение хода времени в нашем мире тикающих часов и колеблющихся маятников – это простой случай подсчета секунд между “тогда” и “сейчас”.
Однако на квантовом уровне жужжащих электронов “потом” не всегда можно предугадать. Хуже того, “сейчас” часто расплывается в тумане неясности. Секундомер просто не будет работать для некоторых сценариев.
Потенциальное решение может быть найдено в самой форме квантового тумана, говорится в исследовании 2022 года, проведенном учеными из Уппсальского университета в Швеции.
Их эксперименты с волнообразной природой того, что называется состоянием Ридберга, выявили новый способ измерения времени, который не требует точной точки отсчета.
Атомы Ридберга – это чрезвычайно надутые воздушные шары в царстве частиц. Надутые лазерами вместо воздуха, эти атомы содержат электроны в чрезвычайно высоких энергетических состояниях, вращающиеся по орбитам вдали от ядра.
Конечно, не каждая накачка лазера должна раздувать атом до карикатурных размеров. На самом деле, лазеры регулярно используются для того, чтобы перевести электроны в более высокие энергетические состояния для различных целей.
В некоторых случаях второй лазер может использоваться для мониторинга изменений в положении электрона, включая течение времени. Такие методы “зонда накачки” можно использовать, например, для измерения скорости работы некоторых сверхбыстрых электронных устройств.
Приведение атомов в состояние Ридберга – удобный метод для инженеров, не в последнюю очередь при разработке новых компонентов для квантовых компьютеров. Излишне говорить, что физики накопили значительный объем информации о том, как электроны движутся при переходе в состояние Ридберга.
Однако, будучи квантовыми “животными”, их движения меньше похожи на скольжение бусинок по крошечным счетам, а больше напоминают вечер за столом рулетки, где каждый бросок и прыжок шарика втиснут в рамки одной азартной игры.
Математический свод правил этой дикой игры в рулетку ридберговских электронов называется ридберговским волновым пакетом.
Подобно настоящим волнам, наличие более чем одного волнового пакета Ридберга, колеблющегося в пространстве, создает интерференцию, в результате чего возникают уникальные узоры ряби. Бросьте достаточно ридберговских волновых пакетов в один и тот же атомный пруд, и каждый из этих уникальных паттернов будет представлять собой определенное время, необходимое для того, чтобы волновые пакеты эволюционировали в соответствии друг с другом.
Именно эти “отпечатки пальцев” времени решили проверить физики, стоящие за этой серией экспериментов, показав, что они достаточно постоянны и надежны, чтобы служить формой квантовой временной метки.
Исследование включало измерение результатов лазерного возбуждения атомов гелия и сопоставление полученных результатов с теоретическими предсказаниями, чтобы показать, как результаты их сигнатуры могут обозначать длительность времени.
“Если вы используете счетчик, вам нужно определить ноль. Вы начинаете считать в какой-то момент”, – объяснила физик Марта Берхольтс из Уппсальского университета в Швеции, возглавлявшая команду. – “Преимущество этого метода в том, что вам не нужно заводить часы – вы просто смотрите на интерференционную структуру и говорите: “Так, прошло 4 наносекунды””.
Путеводитель эволюционирующих ридберговских волновых пакетов может быть использован в сочетании с другими формами спектроскопии зонда накачки, которые измеряют события в крошечном масштабе, когда по каким-то причинам они не ясны или просто слишком неудобны для измерения.
Важно отметить, что ни один из отпечатков не требует понятия “тогда” и “сейчас” в качестве начальной и конечной точки отсчета времени. Это все равно, что сравнивать гонку неизвестного спринтера с несколькими соперниками, бегущими с заданной скоростью.
Ища сигнатуру интерферирующих ридберговских состояний в образце атомов с зондом накачки, техники могли наблюдать временную метку для событий, происходящих всего за 1,7 триллионных долей секунды.
Будущие эксперименты с квантовыми часами могут заменить гелий другими атомами или даже использовать лазерные импульсы различной энергии, чтобы расширить справочник временных меток для более широкого диапазона условий.
Это исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.
Читайте также: Физики хотят использовать гравитационные волны, чтобы увидеть начало времен