16 сентября 2022, 07:03
Ученым удалось достичь квантовой запутанности между двумя атомными часами. Это поможет нам раскрыть секреты Вселенной
Как мы можем измерить время?
У каждого из нас есть смартфон, подсказывающий который час. Кому-то удобнее смотреть на наручные часы, а у кого-то часы висят на стене на кухне, на которые удобно бросать взгляд и ругаться про себя, что нужно было начать собираться на 10 минут раньше.
Однако самое точное время не покажут ни одни из них.
Атомные часы — всему голова
Самыми точными часами являются атомные часы, которые начали активно использоваться в середине прошлого столетия. Это часы, в которых нет секунд как таковых — их заменяют колебания молекул, вызывающие электромагнитное излучение.
Так, одна секунда равняется 9 192 631 770 периодам электромагнитного излучения, которое заставляет электроны в атоме цезия-133 менять свое состояние. Именно этот изотоп металла цезия является стандартом для точнейшего измерения времени.
Подпишитесь, чтобы прочитать целиком
Нам необходима ваша поддержка, чтобы заниматься качественной журналистикой
Это не единственный материал, который можно использовать в атомных часах: так, исследователи могут исследовать время с помощью атомов рубидия, кальция, стронция. Главное требование — чтобы атомы были нечувствительно магнитным, электрическим и электромагнитным полям, то есть не поддавались любому внешнему воздействию.
В прошлом году две независимые друг от друга команды физиков из Университета Колорадо и Токийского университета сделали следующий шаг в развитии атомных часов, создав часы с оптической решеткой. Потенциально это позволит ученым определить секунду с максимально возможной точностью и открывает множество других научных возможностей.
Спектр применения атомных часов на самом деле очень широкий, хотя обычно мы о них практически не слышим. Например, навигация, ведь системы GPS определяют расстояние по времени, за которое сигнал от определенной точки Земли достигает спутника. Или отслеживание транзакций на фондовом рынке. Минобороны США также планирует использовать атомные часы для усовершенствования систем хронометража и потенциальной замены GPS, ведь спутниковый сигнал доступен не на каждой точке планеты.
Что сделали ученые из Оксфорда?
Ученым из Оксфордского университета удалось достичь квантовой запутанности между парой отдельных квантовых часов, которые находились в двух метрах друг от друга. Их исследование уже прошло научное рецензирование и опубликовано в журнале Nature.
Квантовая запутанность — это то, что Эйнштейн называл «призрачным действием на расстоянии». Термин означает взаимозависимость квантовых состояний двух объектов — то есть, если что-то происходит с одним атомом, это моментально влияет на другой атом, вне зависимости от расстояния и какой-либо видимой связи между ними.
Потенциально это позволяет достичь предела Гейзенберга, то есть максимально возможной точности, допускаемой квантовой теорией.
«Чтобы измерить очень небольшие изменения в относительных атомных частотах между двумя атомами в разных местах, нам нужна очень высокая точность измерений. Существует предел точности измерений независимых систем. Запутанность может быть использована для преодоления этого предела до „предельного предела“, допускаемого квантовой теорией», — объясняет Бетан Николс, один из авторов исследования, в интервью Motherboard.
Звучит страшно и непонятно, но на деле все не так плохо.
Сейчас ученые, чтобы получить максимально точные измерения, синхронизируют между собой результаты исследований, использующих различные атомные часы.
Если упростить, то если одни атомные часы могли рассчитать точную секунду, то запутанная пара атомных часов рассчитает их с точностью до аттосекунд (10^-18 сек). Фактически, такие атомные часы позволят исследователям выйти за традиционные границы измерений.
Почему это важно?
Это не первая пара запутанных атомных часов, однако два метра — это абсолютный рекорд, который, как уверяют ученые, можно будет еще раз обновить уже совсем скоро. Более того, в теории нет никаких ограничений на количество атомных часов, которые можно будет добавить в эту сеть.
Более точное измерение времени позволит нам приблизиться к разгадке фундаментальных загадок Вселенной. К примеру, сеть запутанных атомных часов позволит ученым обнаруживать гравитационные волны — «эхо» от мощнейших космологических аварий вроде столкновения двух черных дыр.
Кроме того, исследователи уже давно рассчитывают использовать атомные часы для поиска темной материи — загадочного компонента космоса, который не дает обычной материи разлететься в разные концы Вселенной из-за ее постоянного расширения. Как объясняют американские физики, при встрече синхронизированных на квантовом уровне атомных часов с темной материей, их связь разорвется.
В теории, если этот космический компонент действительно существует (большинство ученых в этом не сомневается, хотя есть и скептики) то сеть из запутанных атомных часов может быть идеальным детектором темной материи. Кроме того, даже если ученым не удастся использовать их в такой роли, у нас остается огромное количество потенциальных применений сверхточных атомных часов.