Атомные часы с маятником в виде атомов цезия-133 ошибаются на одну секунду раз в три миллиарда лет. Эту точность можно увеличить в шесть раз, если цезий заменить на иттербий и заставить его атомы запутаться.
Вселенная родилась 13,8 миллиарда лет назад. Новые атомные часы ни разу не ошибутся даже на секунду за все время жизни Вселенной, утверждают исследователи из Массачусетского технологического института в опубликованной журналом Nature статье.
Маятник современных атомных часов – атом цезия – работает так: сначала атом возбуждают, передавая ему квант энергии, потом атом успокаивают, и он отдает тот же квант энергии обратно. Колебания кванта энергии к атому и от атома создают видимое нам на экране атомных часов движение времени. Одна секунда соответствует 9 192 631 770 переходам кванта энергии туда-обратно.
Устройство, в котором происходит движение квантового маятника атомных часов называется красиво: цезиевый фонтан. Потому что процесс передачи квантов энергии атомам цезия действительно напоминает фонтан.
В узкой вертикальной запаянной трубке в атмосфере вакуума летает облачко из атомов цезия (цезий плавится при комнатной температуре). Сначала облачко висит на пересечении лучей четырех горизонтальных лазеров, которые возбуждают атомы цезия. Два вертикальных лазера заставляют облачко из возбужденных атомов цезия летать по вертикали: нижний лазер нагревает атомы и подбрасывает облачко вверх, верхний лазер охлаждает атомы и заставляет облачко спускаться вниз. Двигаясь в фонтане вверх-вниз атомы по пути передают кристаллу кварца возбужденные в них лазерами кванты энергии.
Кристалл кварца, получая кванты энергии, то есть электрические импульсы, меняет свою форму – сжимается и разжимается, то есть колеблется. Эти колебания формы кварца вызывают в свою очередь электрические импульсы, поскольку кварц при изменении формы поляризуется (пьезоэлектрический эффект). 9 192 631 770 таких импульсов дают одну секунду на экране атомных часов.
Точность цезиевых часов составляет одну секунду в три миллиарда лет. Именно такая точность позволяет человечеству пользоваться спутниковой связью. До появления атомных часов современные технологии навигации и сетевой синхронизации были принципиально невозможны.
Однако человечеству нужны новые возможности и новые технологии в познании Вселенной. И они недостижимы без повышения точности измерения времени атомными часами.
Поэтому несколько лет назад в Национальном институте стандартов и технологий США атомные часы усовершенствовали: заменили в фонтане атомы цезия на атомы иттербия, чтобы устранить помехи, которые мешают точнее измерять моменты передачи квантов энергии от атомов к пьезоэлектрику. Атомы иттербия поместили в ячейки оптической решетки – бублики из стоячих волн, создаваемых лазером. Такие часы назвали оптическими атомными часами.
Оптические атомные часы на иттербии достигли рекордных показателей стабильности – промежутка времени, за который все атомы приходят в одинаковое квантовое состояние. У некоторых атомных часов на это уходят сутки. Часы на основе иттербия достигают стабильности менее чем за секунду. Через секунду они готовы к измерениям времени.
Однако и у иттербиевых часов есть недостаток – квантовый шум. Само измерение состояния атома меняет его состояние.
Несколько лет назад исследователи из Массачусетского технологического института и Белградского университета в Сербии предположили, что квантовый шум можно компенсировать с помощью квантовой запутанности.
Квантовая запутанность соединяет атомы так, что их спины (направления вращения атомов вокруг собственной оси) оказываются влияющими друг на друга. Тогда можно перераспределить неопределенность в облаке атомов, увеличивая точность в одних частях облака за счет других его частей.
«Это похоже на то, что свет служит связующим звеном между атомами, – говорит физик Массачусетского технологического института Чи Шу. – Первый атом, который видит этот свет, немного изменит свет, и этот свет также изменит второй атом и третий атом, и через множество циклов атомы все вместе узнают друг друга и начнут вести себя одинаково».
«Создание запутанности при квантовых переходах в оптических часах и работа оптических часов за пределами стандартного квантового предела представляют собой важные цели в квантовой метрологии, но еще не были продемонстрированы экспериментально», – пишут авторы исследования в журнале Nature.
Они сообщают в своей публикации о создании многоатомного запутанного состояния при квантовом переходе в оптических часах. В эксперименте использован ансамбль, состоящий из нескольких сотен атомов иттербия-171. Это позволило уменьшить время стабилизации оптических часов почти в три раза. То есть с использованием квантовой запутанности оптические часы готовы к измерениям за доли секунды.
С увеличением скорости стабилизации оптических часов можно будет изучить тонкие влияния, которые Вселенная оказывает на время.