Оптические часы на решётке — это устройства, которые измеряют течение времени через частоту света, поглощаемого или излучаемого атомами, охлаждёнными лазером и удерживаемыми в повторяющемся порядке световых интерференций, известном как оптическая решётка.
Эти часы значительно точнее классических и могут улавливать тонкие физические явления. Их можно использовать для проверки предсказаний различных физических теорий и для повышения производительности существующих систем хронометража, сенсорики и связи.
Исследователи из JILA (Национального института стандартов и технологий) и Университета Колорадо недавно представили новые оптические часы на решётке, основанные на атомах стронция, которые достигли беспрецедентной точности.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, говорится, что эти часы используют запутывание — квантовое явление, при котором две или более частицы становятся связанными и разделяют состояния друг с другом независимо от расстояния между ними.
За последние десять лет оптические часы на решётке достигли чрезвычайной точности, но их производительность фундаментально ограничена так называемым стандартным квантовым пределом, который связан с квантовой «неопределённостью», возникающей в процессе квантовых измерений.
Доктор Ян Ян, соавтор статьи, рассказал Phys.org, что использование множества некоррелированных атомов помогает уменьшить этот шум. Параллельно наблюдается быстрый прогресс в создании и использовании запутанных состояний не только для обработки квантовой информации, но и для повышения чувствительности и точности измерений.
Доктор Ян и его коллеги решили изучить возможность использования запутывания для повышения точности оптических часов на решётке. Для этого они разработали часы на решётке, основанные на запутанных атомах стронция, и сравнили их работу с работой обычных оптических часов.
Новые часы состоят примерно из 30 000 атомов стронция, удерживаемых в двумерной сетке лазерного света (то есть в оптической решётке). Новаторство заключается в том, что они затем закрутили две группы атомов в решётке, или, другими словами, запутали их таким образом, чтобы повысить точность часов.
«Оптические атомные часы измеряют частоту ультрастабильного лазера, используя долгоживущие атомные переходы», — объяснила Майя Миклош, соавтор статьи. «С более точными измерениями доли атомов, возбуждённых лазером, стабильность часов улучшается».
Чтобы реализовать запутывание в своих часах, доктор Ян, Миклош и их коллеги связали удерживаемые атомы стронция с общим оптическим режимом (то есть со световым узором). Генерация запутывания позволяет «сжать» шум (то есть нежелательные случайные флуктуации, снижающие точность часов), что, в свою очередь, приводит к более точным измерениям.
Исследователи сравнили измерения, сделанные их часами, с измерениями, сделанными оптическими часами на основе стронция, в которых атомы не запутаны. Они обнаружили, что их конструкция привела к значительным улучшениям, а их часы достигли замечательной точности дробной частоты 1,1 × 10⁻¹⁸.
«Мы демонстрируем, что производительность часов не только превосходит стандартный квантовый предел, но и достигает действительно современного уровня точности», — сказал доктор Ян. «Наши результаты представляют собой конкретный план по превращению хрупкого многочастичного запутывания в практический инструмент для метрологии и точных измерений».
Команда доктора Яна и Миклоша работает над дальнейшим улучшением своих часов, чтобы облегчить их будущее использование в исследовательских целях или интеграцию с существующими технологиями.
В будущем исследователи планируют начать использовать свои оптические часы для проведения исследований, основанных на фундаментальной физике. Например, запутывая два своих часов на разной высоте, они могут исследовать влияние гравитации и замедления времени на квантовые системы.
«В долгосрочной перспективе мы предполагаем создание квантовых сетей оптических часов на решётке, которые могут открыть новые возможности в геофизике, астрономии и проверке фундаментальных физических теорий», — добавил доктор Ян.