Немецким физикам удалось достичь беспрецедентной стабильности оптических часов благодаря замене одиночного атома на пару запутанных ионов. Руководитель проекта Кай Дитце из Немецкого национального метрологического института полагает, что разработанный метод позволит создавать новые поколения высокоточных приборов, необходимых для точного измерения времени и проведения научных экспериментов, пишет Phys.org.
Любые часы основаны на регистрации регулярных колебаний определенной частоты. Например, механические часы используют колебательные движения маятника. Cовременные электронные устройства полагаются на стабильные электрические колебания кварца. Чем меньше отклонение от заданной частоты, тем точнее прибор способен фиксировать течение времени.
Современные оптические часы отличаются наибольшей точностью среди всех существующих устройств для измерения времени. Их принцип основан на взаимодействии сверхстабильного лазерного излучения с возбуждением электронных состояний атомов. Лазерный луч настраивается таким образом, чтобы совпадать с частотой резонансного перехода между различными энергетическими уровнями атомов. За счет множественных измерений и анализа результатов достигается высокая степень точности.
Несмотря на высокую стабильность оптических часов, существует потребность в дальнейшем улучшении их характеристик, особенно для нужд фундаментальных исследований и квантовых технологий.
Группа немецких ученых предложила инновационное решение проблемы повышения точности оптических часов за счет использования эффекта квантовой запутанности. Запутывание подразумевает создание связи между двумя частицами, позволяющей рассматривать их как единую систему, нечувствительную к внешним возмущениям.
Специалисты создали запутанное состояние пары ионов кальция, которое позволило снизить влияние внешнего электромагнитного шума. Затем они использовали такое состояние для измерения частоты оптического перехода. Эксперимент показал, что такая методика обеспечивает уровень точности, сопоставимый с традиционными оптическими часами на основе одиночных атомов стронция. Но главное преимущество заключается в скорости измерения: использование запутанных ионов позволяет получать необходимые показания вдвое быстрее, сокращая общее время замера и повышая эффективность прибора.
Полученные результаты имеют большое значение для развития современной физики и технологии измерения времени. Оптические часы повышенной точности необходимы для проверки теоретических предсказаний в области квантовой механики, изучении свойств темной материи и проверке теории относительности Эйнштейна. Чувствительность современных часов приближается к пределу, ограничивающему дальнейшее развитие фундаментальных исследований.
Кроме того, разработка методов квантово-запутанных часов имеет огромное значение для метрологии. Международный комитет по стандартам времени рассматривает возможность изменения официального определения секунды именно на основе точности оптических переходов. Новые методы позволят создать глобально признанный эталон частоты, обеспечивающий абсолютную согласованность временных стандартов.
Таким образом, экспериментальные достижения немецкой научной группы открывают перспективу создания следующего поколения наиболее точных приборов для измерения времени и позволяют рассчитывать на прогресс в понимании законов природы и развитии метрологических стандартов будущего.
Ранее российские ученые разработали инновационный наноматериал для квантовых компьютеров.
