;
Наука 14 июля 2022

Физики «обратили время вспять», чтобы измерить квантовые колебания атомов

Далее

Исследователи использовали квантовую запутанность, чтобы «обратить время вспять», усилить и измерить квантовые колебания атомов. Новая техника повысит точность атомных часов и квантовых датчиков для обнаружения темной материи или гравитационных волн.

Физики из Массачусетского технологического института разработали метод манипулирования квантово запутанными атомами таким образом, что частицы вели себя так, как если бы они двигались в обратном направлении во времени. Раскручивание «ленты времени» назад усиливало изменения в колебаниях и упрощало измерения.

В исследовании, опубликованном в Nature Physics, ученые изучили 400 ультрахолодных атомов иттербия, одного из двух типов атомов, используемых в современных атомных часах. Они охладили атомы чуть выше абсолютного нуля. При такой температуре большинство классических эффектов, таких как тепло, исчезают, а поведение атомов определяется исключительно квантовыми эффектами.

Камера установки с ультрахолодными атомами иттербия. Фото: Simone Colombo, MIT

Ученые использовали систему лазеров для захвата атомов, а затем посылали «запутывающий» свет с голубоватым оттенком, который заставлял атомы колебаться в коррелированном состоянии. Они позволили запутанным атомам развиваться вперед во времени, а затем подвергли их воздействию небольшого магнитного поля. Оно внесло небольшое квантовое изменение, незначительно сместив коллективные колебания атомов.

Такой сдвиг было бы невозможно обнаружить с помощью существующих инструментов измерения, отмечают исследователи. Вместо этого физики использовали обращение времени, чтобы усилить этот квантовый сигнал. Для этого они послали еще один лазерный луч с красным оттенком, который стимулировал распутывание атомов, как если бы они развивались в обратном направлении во времени.

Лазерная установка, использованная для запутывания и распутывания атомов. Фото: Simone Colombo, MIT

Команда провела этот эксперимент тысячи раз с облаками от 50 до 400 атомов, каждый раз наблюдая усиление квантового сигнала. Ученые обнаружили, что их запутанная система в 15 раз более чувствительна, чем аналогичные незапутанные атомные системы. 

Каждый тип атома вибрирует с постоянной частотой, которая при правильном измерении может служить очень точным маятником, объясняют авторы работы. Но в масштабе одного атома вступают в силу законы квантовой механики, и колебания атома меняются. Только проведя множество измерений атома, ученые получают оценку его реальных вибраций.

Например, в современных атомных часах физики многократно измеряют колебания тысяч ультрахолодных атомов, чтобы увеличить свои шансы на получение точных данных. Используя повышенную чувствительность квантово запутанной системы, можно сократить количество измерений и повысить точность атомных часов и различных датчиков, работающих на основе колебаний атомов.

Изображение на обложке: MIT


Читать далее:

В старейшей миссии «Вояджер 1» произошел странный сбой, который не получается устранить

Телескоп «Джеймс Уэбб» сделал первый снимок Юпитера: на нем сразу 9 двигающихся целей

Ученые нашли «ящик Пандоры» в недрах Земли: энергия оттуда питает жизнь на планете