Ученые открыли совершенно новый способ измерения времени

Отметить течение времени в мире тикающих часов и качающихся маятников - это простой случай подсчета секунд между "тогда" и "сейчас".

Однако в квантовом масштабе жужжащих электронов "потом" не всегда можно предугадать. Хуже того, "сейчас" часто расплывается в дымке неопределенности. Для некоторых сценариев секундомер просто не подходит.

Потенциальное решение может быть найдено в самой форме квантового тумана, считают исследователи из Уппсальского университета в Швеции.

Их эксперименты с волнообразной природой того, что называется состоянием Ридберга, выявили новый способ измерения времени, который не требует точной точки отсчета.

Атомы Ридберга - это надутые воздушные шары в царстве частиц. Надутые лазерами вместо воздуха, эти атомы содержат электроны в чрезвычайно высоких энергетических состояниях, вращающиеся вдали от ядра.

Конечно, не каждая накачка лазера должна раздувать атом до карикатурных размеров. На самом деле, лазеры регулярно используются для того, чтобы перевести электроны в более высокие энергетические состояния для различных целей.

В некоторых приложениях второй лазер может использоваться для мониторинга изменений в положении электрона, включая течение времени. Такие методы "зонда-насоса" можно использовать, например, для измерения скорости работы некоторых сверхбыстрых электронных устройств.

Индуцирование атомов в состояние Ридберга - удобный трюк для инженеров, не в последнюю очередь при разработке новых компонентов для квантовых компьютеров. Само собой разумеется, физики накопили значительный объем информации о том, как электроны движутся при переходе в состояние Ридберга.

Однако, будучи квантовыми животными, их движения меньше похожи на скольжение бусинок по крошечному абаксу, а больше напоминают вечер за столом рулетки, где каждый бросок и прыжок шарика втиснут в единую игру случая.

Математический свод правил этой дикой игры в электронную рулетку Ридберга называется волновым пакетом Ридберга.

Подобно волнам в пруду, наличие более чем одного волнового пакета Ридберга в пространстве создает интерференцию, в результате чего возникают уникальные узоры пульсаций. Бросьте достаточно волновых пакетов Ридберга в один и тот же атомный пруд, и каждый из этих уникальных узоров будет представлять собой определенное время, необходимое для того, чтобы волновые пакеты развивались в соответствии друг с другом.

Именно эти "отпечатки пальцев" времени физики, стоящие за последней серией экспериментов, поставили перед собой задачу проверить, что они достаточно последовательны и надежны, чтобы служить формой квантовой регистрации времени.

Их исследование включало измерение результатов лазерного возбуждения атомов гелия и сопоставление полученных результатов с теоретическими предсказаниями, чтобы показать, как результаты их подписи могут обозначать длительность времени.

"Если вы используете счетчик, вам нужно определить ноль. Вы начинаете считать в какой-то момент", - объяснила New Scientist физик Марта Берхольтс из Уппсальского университета в Швеции, возглавлявшая группу.

"Преимущество этого метода в том, что вам не нужно заводить часы - вы просто смотрите на интерференционную структуру и говорите: "Так, прошло 4 наносекунды"".

Справочник развивающихся ридберговских волновых пакетов может быть использован в сочетании с другими формами спектроскопии зонда-насоса, которые измеряют события в крошечном масштабе, когда сейчас и тогда менее ясно, или просто слишком неудобно для измерения.

Важно отметить, что ни один из отпечатков не требует "тогда" и "сейчас" в качестве начальной и конечной точки отсчета времени. Это было бы похоже на измерение бега неизвестного спринтера в сравнении с рядом соперников, бегущих с заданной скоростью.

Ища сигнатуру интерферирующих ридберговских состояний в образце атомов с насосным зондом, специалисты могли бы наблюдать временную метку для событий, происходящих всего за 1,7 триллионных долей секунды.

Будущие эксперименты с квантовыми часами могут заменить гелий другими атомами или даже использовать лазерные импульсы разных энергий, чтобы расширить справочник временных меток для более широкого диапазона условий.

Это исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.