Визначення ходу часу в нашому світі годинників, що цокають, і маятників, що коливаються – це простий випадок підрахунку секунд між “тоді” і “зараз”.
Однак на квантовому рівні дзвінких електронів "потім" не завжди можна передбачити. Гірше того, зараз часто розпливається в тумані неясності. Секундомір просто не працюватиме для деяких сценаріїв.
Потенційне рішення може бути знайдено у самій формі квантового туману, йдеться у сучасному дослідженні, проведеному вченими з університету Упсальського у Швеції.
Їхні експерименти з хвилеподібною природою того, що називається станом Рідберга, виявили новий спосіб вимірювання часу, який не потребує точної точки відліку.
Атоми Рідберга – це надзвичайно надуті повітряні кулі у царстві частинок. Надуті лазерами замість повітря ці атоми містять електрони в надзвичайно високих енергетичних станах, що обертаються по орбітах далеко від ядра.
ЧИТАТИ ДАЛІ ....Звичайно, не кожне накачування лазера має роздмухувати атом до карикатурних розмірів. Насправді лазери регулярно використовуються для того, щоб перевести електрони в більш високі енергетичні стани для різних цілей.
У деяких випадках другий лазер може використовуватися для моніторингу змін у положенні електрона, включаючи перебіг часу. Такі методи “зонда накачування” можна використовувати, наприклад, для вимірювання швидкості роботи деяких надшвидких електронних пристроїв.
Приведення атомів у стан Рідберга - зручний метод для інженерів, не в останню чергу розробки нових компонентів для квантових комп'ютерів. Зайве говорити, що фізики нагромадили значний обсяг інформації про те, як електрони рухаються при переході в стан Рідберга.
Однак, будучи квантовими "тваринами", їх рухи менше схожі на ковзання бусинок по крихітних рахунках, а більше нагадують вечір за столом рулетки, де кожен кидок і стрибок кульки втиснуть у рамки однієї азартної гри.
Математичне зведення правил цієї дикої гри в рулетку рідбергівських електронів називається рідбергівським хвильовим пакетом.
Подібно до справжніх хвиль, наявність більш ніж одного хвильового пакету Рідберга, що коливається в просторі, створює інтерференцію, внаслідок чого виникають унікальні візерунки брижів. Киньте досить рідбергівських хвильових пакетів в один і той же атомний ставок, і кожен з цих унікальних патернів буде певний час, необхідний для того, щоб хвильові пакети еволюціонували відповідно один з одним.
Саме ці "відбитки пальців" часу вирішили перевірити фізики, що стоять за цією серією експериментів, показавши, що вони досить постійні та надійні, щоб бути формою квантової тимчасової мітки.
Дослідження включало вимірювання результатів лазерного збудження атомів гелію та зіставлення отриманих результатів з теоретичними передбаченнями, щоб показати, як результати їхньої сигнатури можуть означати тривалість часу.
“Якщо ви використовуєте лічильник, вам потрібно визначити нуль. Ви починаєте рахувати в якийсь момент”, – пояснила фізик Марта Берхольтс із Упсальського університету у Швеції, яка очолювала команду. - "Перевага цього методу в тому, що вам не потрібно заводити годинник - ви просто дивіться на інтерференційну структуру і кажете: "Так, пройшло 4 наносекунди".
Путівник еволюціонуючих рідбергівських хвильових пакетів може бути використаний у поєднанні з іншими формами спектроскопії зонда накачування, які вимірюють події у крихітному масштабі, коли з якихось причин вони не зрозумілі або просто надто незручні для вимірювання.
Важливо, що жоден з відбитків вимагає поняття “тоді” і “зараз” як початкової і кінцевої точки відліку часу. Це все одно, що порівнювати гонку невідомого спринтера з кількома суперниками, що біжать із заданою швидкістю.
Шукаючи сигнатуру інтерферуючих рідбергівських станів у зразку атомів із зондом накачування, техніки могли спостерігати тимчасову мітку для подій, що відбуваються лише за 1,7 трильйонних часток секунди.
Майбутні експерименти з квантовим годинником можуть замінити гелій іншими атомами або навіть використовувати лазерні імпульси різної енергії, щоб розширити довідник тимчасових міток для більш широкого діапазону умов.
Це дослідження було опубліковано у журналі Physical Review Research.