Каждый раз, когда вы проверяете время на телефоне, совершаете онлайн-транзакцию или используете навигационное приложение, вы полагаетесь на точность атомных часов.
Как работают атомные часы
Атомные часы отсчитывают время, опираясь на «тиканье» атомов, которые естественным образом колеблются с постоянной частотой. Современные атомные часы отслеживают цезиевые атомы, которые тикают более 10 миллиардов раз в секунду. Каждый из этих тиков точно отслеживается с помощью лазеров, которые колеблются синхронно на микроволновых частотах.
Учёные разрабатывают атомные часы нового поколения, которые будут работать на ещё более быстро тикающих атомах, таких как иттербий. Их можно отслеживать с помощью лазеров на более высоких оптических частотах. Если их удастся стабилизировать, оптические атомные часы смогут фиксировать ещё более мелкие интервалы времени — до 100 триллионов раз в секунду.
Улучшение стабильности атомных часов
Физики из Массачусетского технологического института (MIT) нашли способ повысить стабильность оптических атомных часов, уменьшив «квантовый шум» — фундаментальное ограничение измерений, связанное с эффектами квантовой механики, которое скрывает чистые колебания атомов.
Команда обнаружила, что эффект воздействия лазера на атомы, ранее считавшийся несущественным, можно использовать для дальнейшей стабилизации лазера. Исследователи разработали метод, позволяющий использовать «глобальную фазу» в атомах иттербия, индуцированную лазером, и усилили этот эффект с помощью техники квантового усиления.
Новый подход удваивает точность оптических атомных часов, позволяя им различать вдвое больше тиков в секунду по сравнению с той же установкой без использования нового метода. Более того, исследователи предполагают, что точность метода должна неуклонно возрастать с увеличением количества атомов в атомных часах.
Детали метода
Исследователи подробно описали метод, который они назвали спектроскопией глобальной фазы, в статье, опубликованной в журнале Nature. Они предполагают, что стабилизирующая часы техника однажды позволит создать портативные оптические атомные часы, которые можно будет транспортировать в различные места для измерения различных явлений.
Автор исследования Влада́н Вулетич, профессор физики в MIT, говорит: «С помощью этих часов люди пытаются обнаружить тёмную материю и тёмную энергию, проверить, действительно ли существует только четыре фундаментальных силы, и даже выяснить, могут ли эти часы предсказывать землетрясения».
Соавторами статьи являются Леон Запорски, Ци Лю, Густаво Велес, Мэттью Радзиховский, Зейанг Ли, Симоне Коломбо и Эдвин Педрозо-Пеньяфил, которые являются членами Центра ультрахолодных атомов MIT-Гарварда и Исследовательской лаборатории электроники MIT.
Квантовая запутанность и атомные часы
В 2020 году Вулетич и его коллеги продемонстрировали, что атомные часы можно сделать более точными, квантово запутав атомы часов. Квантовая запутанность — это явление, при котором частицы могут вести себя коллективно, высоко коррелированным образом. Когда атомы квантово запутаны, они перераспределяют любой шум или неопределённость при измерении колебаний атомов таким образом, что выявляют более чёткий, измеримый «тик».
В своей предыдущей работе команда индуцировала квантовую запутанность среди нескольких сотен атомов иттербия, которые они сначала охладили и захватили в полости, образованной двумя изогнутыми зеркалами. Они направили в полость лазер, который тысячи раз отражался между зеркалами, взаимодействуя с атомами и вызывая их запутывание. Они смогли показать, что квантовая запутанность может повысить точность существующих атомных часов, по существу уменьшая шум или неопределённость между частотами тиканья лазера и атомов.
Однако в то время они были ограничены нестабильностью тиканья лазера часов. В 2022 году та же команда разработала способ дальнейшего усиления разницы в частотах тиканья лазера и атомов с помощью «обращения времени» — трюка, основанного на запутывании и ра распутывании атомов для усиления сигнала, приобретённого между ними.
Однако в той работе команда всё ещё использовала традиционные микроволны, которые колеблются на гораздо более низких частотах, чем оптические стандарты частоты, которые могут обеспечить атомы иттербия. Это было похоже на то, как если бы они кропотливо сняли с картины слой пыли, а затем сфотографировали её с помощью камеры с низким разрешением.
В новом исследовании команда нашла способ применить свой ранее разработанный подход обращения времени к оптическим атомным часам. Они направили лазер, который колеблется вблизи оптической частоты запутанных атомов.
«В конечном счёте лазер наследует тиканье атомов», — говорит первый автор Запорски. «Но для того, чтобы это наследование сохранялось в течение длительного времени, лазер должен быть достаточно стабильным».
Исследователи обнаружили, что они смогли повысить стабильность оптических атомных часов, воспользовавшись явлением, которое учёные считали несущественным для работы. Они поняли, что когда свет проходит через запутанные атомы, взаимодействие может привести к тому, что атомы перейдут в более высокое энергетическое состояние, а затем вернуться в исходное состояние и всё равно сохранить память о своём путешествии туда и обратно.
«Можно подумать, что мы ничего не сделали, — говорит Вулетич. — Вы получаете глобальную фазу атомов, которая обычно считается несущественной. Но эта глобальная фаза содержит информацию о частоте лазера».
Таким образом, они поняли, что лазер вызывает измеримое изменение в атомах, несмотря на то, что возвращает их в исходное энергетическое состояние, и что величина этого изменения зависит от частоты лазера.
«В конечном счёте мы ищем разницу между частотой лазера и частотой атомного перехода», — объясняет соавтор Лю. «Когда эта разница мала, она заглушается квантовым шумом. Наш метод усиливает эту разницу выше этого квантового шума».
В своих экспериментах команда применила этот новый подход и обнаружила, что с помощью запутывания им удалось удвоить точность своих оптических атомных часов.
«Мы увидели, что теперь мы можем разрешить почти вдвое меньшую разницу в оптической частоте или частоте тиканья часов, не сталкиваясь с пределом квантового шума», — говорит Запорски. «Хотя в целом сложно управлять атомными часами, технические преимущества нашего метода облегчат эту задачу, и мы думаем, что это может позволить создать стабильные, портативные атомные часы».