Splątanie kwantowe podwaja dokładność
Zespół z Massachusetts Institute of Technology pod kierunkiem Vladana Vuleticia sięgnął po jeden z najbardziej enigmatycznych fenomenów świata kwantów. Tamtejsi badacze wykorzystali splątanie kwantowe atomów iterbu do pokonania naturalnych ograniczeń precyzji pomiarów. W optycznych zegarach atomowych atomy oscylują z częstotliwością pozwalającą rejestrować przedziały czasowe rzędu 100 bilionowych części sekundy. Problem w tym, że im większa precyzja, tym bardziej urządzenia stają się podatne na zakłócenia kwantowe.
Badaczom udało się osiągnąć poprawę czułości o 4,0 decybela, co przekracza standardowy limit kwantowy i praktycznie podwaja dokładność pomiarów. Splątanie kwantowe, w którym atomy zachowują się jak pojedynczy układ niezależnie od dzielącej je odległości, okazało się kluczem do rozwiązania. Vuletić tłumaczy to w prosty sposób: zwiększanie liczby atomów poprawia precyzję, ale ich liczba zawsze jest skończona. Dzięki splątaniu można tworzyć zegary działające efektywniej przy tej samej ilości cząstek.
Heisenberg musi poczekać
Tymczasem fizycy z Uniwersytetu w Sydney przyjęli zupełnie inną strategię. Zamiast konfrontować się z zasadą nieoznaczoności Heisenberga, znaleźli sposób na jej obejście. Ich metoda pozwala na jednoczesne precyzyjne mierzenie pozycji i pędu układu kwantowego, co według tradycyjnej fizyki powinno być niemożliwe. Sekret tej techniki polega na selektywnym podejściu do pomiarów. Naukowcy skupiają się wyłącznie na bardzo drobnych zmianach, ignorując szerszy kontekst systemu. To tak, jakby obserwować minimalne zmarszczki na powierzchni wody, nie przejmując się głębokością całego zbiornika.
Innym sposobem wyjaśnienia jest to, że faktycznie odrzucamy informacje. Zależy nam tylko na bardzo małych zmianach, dlatego jesteśmy w stanie uzyskać to nowe ograniczenie niepewności i niejako obejść zasadę nieoznaczoności Heisenberga – tłumaczy Christophe Valahu z Uniwersytetu w Sydney
Ta metoda znajduje szczególne zastosowanie w zegarach atomowych wykorzystujących wysoko naładowane jony. Tingrei Tan z zespołu z Sydney wyjaśnia, iż takie urządzenia opierają się na spektroskopii logiki kwantowej, wymagającej precyzyjnego śledzenia minimalnych przemieszczeń zarówno w pozycji, jak i pędzie. Nowy protokół rozwiązuje problem ograniczonej czułości poprzez umożliwienie równoczesnych pomiarów tych subtelnych zmian.
Od GPS po ciemną materię
Zastosowania superprecyzyjnych zegarów atomowych wykraczają daleko poza udoskonalenie nawigacji, z której korzystamy na co dzień. Jednym z najbardziej ambitnych pomysłów jest stworzenie systemu nawigacyjnego dla międzygwiezdnych podróży. Gdy ludzkość zdecyduje się wyruszyć w głąb kosmosu, obecne rozwiązania oparte na ziemskich satelitach przestaną wystarczać. Tan zauważa, że zegary atomowe o ekstremalnej precyzji i stabilności umożliwią dokładne określanie pozycji statków kosmicznych, a nawet autonomiczną nawigację. To nie jest czcza fantazja, lecz realny cel technologiczny, do którego przybliżają nas te odkrycia.
Czytaj też: Origami rozwiązuje zagadkę fizyki kwantowej. Matematyk odkrył związek ze zderzeniami cząstek
Równie istotne są potencjalne zastosowania bliższe Ziemi. Niezwykle czułe zegary atomowe mogłyby służyć do przewidywania trzęsień ziemi poprzez wykrywanie minimalnych zmian w polu grawitacyjnym poprzedzających wstrząsy. Równie obiecująco wygląda perspektywa wykorzystania ich do badania ciemnej materii, która pozostaje jedną z największych nierozwiązanych zagadek współczesnej fizyki. Oba zespoły badawcze podkreślają, iż obecny moment jest wyjątkowo sprzyjający dla rozwoju technologii kwantowych. Choć międzygwiezdna nawigacja czy detekcja trzęsień ziemi przy użyciu zegarów atomowych mogą wydawać się odległe, fundamentalne odkrycia dokonane przez naukowców z MIT i Sydney już teraz poszerzają granice tego, co uważaliśmy za możliwe. W świecie precyzyjnych pomiarów czasowych każdy ułamek sekundy ma znaczenie, nawet ten jeden na 10 milionów lat.