Τα μπερδεμένα άτομα κάνουν το ατομικό ρολόι ακόμα πιο ακριβές

Εάν το πιο ακριβές ατομικό ρολόι στον κόσμο έτρεχε από το Big Bang, θα ήταν μόλις μισό δευτερόλεπτο πίσω. Ωστόσο, ακόμη και αυτή η παράλογη ακρίβεια δεν είναι αρκετή για τους φυσικούς. Θέλουν ακόμη καλύτερα ρολόγια. Οι Αμερικανοί ερευνητές από το τεχνικό πανεπιστήμιο του MIT έχουν επομένως σχεδίασε ένα νέο ατομικό ρολόι που λειτουργεί με εμπλεγμένα κβαντικά άτομα.

Τα ατομικά ρολόγια είναι τα πιο ακριβή ρολόγια που έχουμε. Παρακολουθούν τον χρόνο μετρώντας τις δονήσεις των ατόμων με λέιζερ. Τα άτομα δονούνται σε εξαιρετικά σταθερή συχνότητα. Τίποτα στον κόσμο – που είναι μετρήσιμο – “τσιμπούρια” τόσο σταθερό και αξιόπιστο.

Πιο ακριβείς από ένα μέτρο του χρόνου με ατομικές δονήσεις Δεν θα. Αλλά ο τρόπος μέτρησης αυτών των ατόμων φαίνεται να είναι πιο ακριβής. Οι ερευνητές του MIT το απέδειξαν τώρα. Η τεχνολογία τους ωθεί ακόμη περισσότερο τα όρια της φυσικής.

Σύννεφο ατόμων

Τα σημερινά ατομικά ρολόγια μετρούν τις δονήσεις ενός νέφους ψυχρών ατόμων με λέιζερ. Κάθε τύπος ατόμου έχει τη δική του σταθερή συχνότητα. Ένα άτομο καισίου δονείται με την ίδια ακριβώς συχνότητα με ένα άλλο άτομο καισίου. Αλλά δεν υπάρχει καμία εγγύηση ότι όλα τα άτομα σε ένα σύννεφο αερίου είναι ευθυγραμμισμένα μεταξύ τους.

Στην ιδανική περίπτωση, επομένως, θα μετρήσουμε τη δόνηση ενός ατόμου. Αλλά η μέτρηση ενός ατόμου είναι πολύ δύσκολη και μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα μέτρησης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα ατομικά ρολόγια μετρούν τη μέση συχνότητα δόνησης ενός νέφους με χιλιάδες άτομα καισίου. Αυτό υπολογίζει κατά μέσο όρο τα σφάλματα μέτρησης.

“Εάν αυξήσετε τον αριθμό των ατόμων, ο μέσος όρος όλων αυτών των ατόμων πηγαίνει σε κάτι που δίνει τη σωστή τιμή”, είπε Simone colombo από το MIT. Αλλά υπάρχει πάντα κάποια αβεβαιότητα σε αυτόν τον μέσο όρο. Και αυτό σημαίνει ότι οι εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις των ατομικών ρολογιών μπορούν να είναι ακόμη καλύτερες.

READ  Ο ψεκασμός απολυμαντικών σε μεγάλες περιοχές έχει αποδειχθεί αναποτελεσματικός

Κβαντομετατροπή

Σύμφωνα με ερευνητές του MIT, η αβεβαιότητα σχετικά με τον μέσο όρο μπορεί να μειωθεί με τη χρήση κβαντικής εμπλοκής. Τα κβαντικά σωματίδια – για παράδειγμα άτομα – σχηματίζουν ένα είδος ισχυρού δεσμού μεταξύ τους, έτσι ώστε να μην μπορείτε να τα δείτε πια ξεχωριστά.

Πάρτε δύο φανταστικά κβαντικά σωματίδια που είναι κόκκινα και πράσινα. Εάν αυτά τα δύο είναι “εμπλεγμένα”, τα χρώματα τους συσχετίζονται. Για παράδειγμα, εάν μετρήσετε ότι το ένα σωματίδιο είναι κόκκινο, ξέρετε ότι το άλλο θα γίνει πράσινο σε αυτό το σημείο.

Μπορείτε να συνδυάσετε τις συχνότητες δόνησης τους με τα άτομα σε ένα ατομικό ρολόι. Αυτό προκαλεί τις μεμονωμένες δονήσεις να συσχετίζονται μεταξύ τους, αναγκάζοντάς τους να δονούνται μαζί γύρω από μια κοινή συχνότητα. Εάν μετρήσετε τις ατομικές δονήσεις τώρα, η μετρούμενη συχνότητα θα αποκλίνει λιγότερο από ό, τι εάν δεν εμπλέκονται, γράφουν οι ερευνητές. Αυτό καθιστά ένα εμπλεγμένο ατομικό ρολόι πιο ακριβές.

Μπλεγμένο ατομικό ρολόι

Οι ερευνητές το έκαναν στη δοκιμή κατά 350 άτομο ytterbium συνυφασμένα μεταξύ τους. Το έκαναν αυτό κλείνοντας τα άτομα σε ένα μικρό χώρο με καθρέφτες και στις δύο πλευρές. Αφήνουν μια ακτίνα λέιζερ πινγκ πονγκ ανάμεσα σε αυτούς τους καθρέφτες.

Εντύπωση εμπλεγμένων και μετρημένων ατόμων. Πηγή: MIT, Pedrozo-Peñafiel et al. (Φύση, 2020)

«Το φως χρησιμεύει ως σύνδεσμος επικοινωνίας μεταξύ ατόμων», εξηγεί ο Chi Shu από το MIT. Το πρώτο άτομο που βλέπει αυτό το φως θα αλλάξει ελαφρώς το φως, και αυτό το φως θα αλλάξει επίσης το δεύτερο άτομο και το τρίτο άτομο. Τελικά τα άτομα γίνονται συλλογικά και αρχίζουν να συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές μέτρησαν τη μέση συχνότητα των εμπλεγμένων ατόμων με ένα άλλο λέιζερ. Επανέλαβαν το πείραμα χωρίς να εμπλέκουν τα άτομα. Αποδείχθηκε ότι το ατομικό ρολόι με εμπλεγμένα άτομα έφτασε στην επιθυμητή ακρίβεια τέσσερις φορές πιο γρήγορα.

READ  Σε 10 έως 20 χρόνια, θα είναι τόσο ζεστό που τα τροπικά δέντρα δεν ζουν τόσο πολύ

Εάν προσαρμόσετε τα καλύτερα ατομικά ρολόγια στον κόσμο για να μετρήσετε τα εμπλεγμένα άτομα, θα ήταν πολύ πιο ακριβή, λένε οι ερευνητές. Εάν έτρεχαν από το Big Bang, αυτά τα ρολόγια θα αποκλίνουν μόνο κατά 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου.

Νέος επιστήμονας 83 Δεκεμβρίου 2020
ΣΥΜΒΟΥΛΕΣ ΑΝΑΓΝΩΣΗΣ: Γιατί οι φυσικοί θα ήθελαν ακόμη πιο ακριβή ατομικά ρολόγια, μπορείτε να διαβάσετε σε αυτό το τεύχος Νέος επιστήμονας, μπορείτε να παραγγείλετε στο ηλεκτρονικό μας κατάστημα.

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *