Физики нашли совершенно новый способ измерения времени

Определение течения времени в нашем мире тикающих часов и колеблющихся маятников — это простая задача подсчёта секунд между «тогда» и «сейчас».

Однако на квантовом уровне, где суетятся электроны, «тогда» не всегда можно предугадать. Хуже того, «сейчас» часто размывается в туман неопределённости. Обычный секундомер в некоторых сценариях просто не сработает.

Потенциальное решение может крыться в самой форме этого квантового тумана, согласно исследованию 2022 года, проведённому учёными из Уппсальского университета в Швеции.

Их эксперименты с волновой природой так называемого ридберговского состояния выявили новый способ измерения времени, который не требует точной отправной точки.

Ридберговские атомы — это «перекачанные» воздушные шары в мире частиц. Наполненные лазерами вместо воздуха, эти атомы содержат электроны в состояниях с чрезвычайно высокой энергией, вращающиеся далеко от ядра.

Конечно, не каждый лазерный импульс должен раздувать атом до карикатурных размеров. На самом деле лазеры регулярно используются для перевода электронов в состояния с более высокой энергией для самых разных целей.

В некоторых приложениях второй лазер может использоваться для отслеживания изменений положения электрона, включая течение времени. Эти методы «накачки-зондирования» (pump-probe) могут применяться, например, для измерения скорости работы определённой сверхбыстрой электроники.

Перевод атомов в ридберговские состояния — это полезный трюк для инженеров, особенно когда речь идёт о создании новых компонентов для квантовых компьютеров. Излишне говорить, что физики накопили значительный объём информации о том, как движутся электроны, когда их переводят в ридберговское состояние.

Однако, будучи квантовыми объектами, их движения меньше похожи на бусины, скользящие по крошечным счётам, и больше напоминают вечер за рулеточным столом, где каждый бросок и прыжок шарика сжат в одну-единственную азартную игру.

Математический свод правил, стоящий за этой дикой игрой в «ридберговскую электронную рулетку», называется ридберговским волновым пакетом.

Точно так же, как и в случае с обычными волнами, наличие более одного ридберговского волнового пакета, рябящего в пространстве, создаёт интерференцию, приводящую к уникальным узорам ряби.

Если запустить достаточное количество ридберговских волновых пакетов в один и тот же атомный «пруд», каждый из этих уникальных узоров будет представлять собой чёткий промежуток времени, необходимый для того, чтобы волновые пакеты эволюционировали относительно друг друга.

Именно эти «отпечатки» времени и решили проверить физики в ходе серии экспериментов, показав, что они достаточно последовательны и надёжны, чтобы служить формой квантовой временной метки.

Их исследование включало измерение результатов воздействия лазера на атомы гелия и сопоставление полученных данных с теоретическими предсказаниями, чтобы показать, как эти характерные результаты могут заменить собой измерение длительности времени.

«Если вы используете счётчик, вы должны определить ноль. Вы начинаете отсчёт в какой-то момент», — объяснила в 2022 году изданию New Scientist физик Марта Берхольц из Уппсальского университета, руководившая группой.

«Преимущество этого метода в том, что вам не нужно запускать часы — вы просто смотрите на структуру интерференции и говорите: "Хорошо, прошло 4 наносекунды"».

Справочник эволюционирующих ридберговских волновых пакетов можно использовать в сочетании с другими формами спектроскопии накачки-зондирования, которые измеряют события в крошечном масштабе, когда понятия «сейчас» и «тогда» менее ясны или их просто слишком неудобно измерять.

Важно отметить, что ни один из этих «отпечатков» не требует наличия «тогда» и «сейчас» в качестве начальной и конечной точек отсчёта времени. Это было бы похоже на измерение забега неизвестного спринтера по сравнению с несколькими соперниками, бегущими с заданной скоростью.

Ища характерные признаки интерферирующих ридберговских состояний в образце атомов, техники могут наблюдать временную метку для событий, длящихся всего 1,7 триллионных долей секунды.

Будущие эксперименты с «квантовыми часами» могут заменить гелий другими атомами или даже использовать лазерные импульсы с другой энергией, чтобы расширить справочник временных меток для более широкого спектра условий.

Это исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.