Учёные из Университета Колорадо в Боулдере и Национального института стандартов и технологий (NIST) достигли прорыва в области квантовой физики, создав новые оптические атомные часы, которые потенциально могут превзойти текущие стандарты точности времени.

Этот прогресс основан на использовании нескольких десятков атомов стронция, запертых в решётке, и создании квантовой запутанности между этими атомами. Запутанность, как объяснил главный автор исследования Адам Кауфман, научный сотрудник JILA (совместного исследовательского института CU Boulder и NIST), позволяет атомам вести себя как единый атом, а не как отдельные частицы, что делает их поведение более предсказуемым.

«Мы можем разделить один и тот же отрезок времени на всё меньшие и меньшие единицы. Это может позволить нам отслеживать время более точно», — отметил Кауфман.

Адам Кауфман, Нельсон Дарква Оппонг, Алек Као и Тео Лукин Йелин осматривают атомные оптические часы в JILA. 
Источник: Patrick Campbell / CU Boulder

Для создания этих часов, учёные начинают с захвата и охлаждения облака атомов до низких температур, а затем обстреливают эти атомы мощным лазером. Электроны, вращающиеся вокруг этих атомов, переходят с более низкого энергетического уровня на более высокий, а затем обратно, создавая эффект, подобный маятнику часов, но с частотой более триллиона раз в секунду.

Новые оптические атомные часы, разработанные в JILA, уже демонстрируют исключительную точность, способную обнаружить изменения гравитации даже при подъёме на долю миллиметра. Однако, традиционные оптические атомные часы имеют ограничения, связанные с квантовыми неопределённостями, которые устанавливают непреодолимый предел точности.

Команда Кауфман обошла этот предел, создав квантовую запутанность между атомами стронция. Запутанные атомы ведут себя как единый атом, что снижает неопределённость в их ходе. В экспериментах учёные создали часы, включающие комбинацию отдельных атомов и запутанных групп из двух, четырёх и восьми атомов, объединяя четыре разных типа часов в один аппарат.

«Это означает, что нам потребуется меньше времени, чтобы достичь того же уровня точности», — подчеркнул Кауфман.

Хотя текущие результаты обнадёживающие, исследователям ещё предстоит много работы. На данный момент, они могут эффективно контролировать часы только в течение примерно 3 миллисекунд, после чего запутанность между атомами начинает ослабевать, что приводит к хаотичному поведению атомов.

Однако, потенциал этого устройства значителен. Подход команды может стать основой для «многокубитных вентилей» — базовых операций, которые лежат в основе вычислений в квантовых компьютерах. Это откроет двери для новых квантовых технологий, включая датчики, которые могут измерять мельчайшие изменения в окружающей среде, такие как изменения гравитации Земли с высотой.