کشف روشی جدید برای اندازه گیری زمان

اندازه گیری زمان در دنیایی با تیک تاک ساعت ها و آونگ های چرخان یک مورد ساده برای شمارش ثانیه ها بین آن زمان و اکنون است.

به گزارش تکناک، در مقیاس کوانتومی وزوز الکترون‌ها ، همیشه نمی‌توان بعد را پیش‌بینی کرد. بدتر از آن، اکنون است که اغلب در هاله‌ای از عدم قطعیت محو می‌شود و یک کرونومتر به سادگی آن را برای برخی سناریوها قطع نمی کند.

به گفته محققان دانشگاه اوپسالا در سوئد، یک راه حل بالقوه می تواند در خود شکل مه مانند کوانتومی پیدا شود.

آزمایشات آنها بر روی ماهیت موج مانند چیزی به نام حالت رایدبرگ روش جدیدی را برای اندازه گیری زمان نشان داده است که به نقطه شروع دقیقی نیاز ندارد.

اتم های ریدبرگ بالون های بیش از حد باد شده قلمرو ذرات هستند. این اتم‌ها که به جای هوا با لیزر پف کرده‌اند و حاوی الکترون‌هایی در حالت‌های انرژی بسیار بالا هستند که دور از هسته می‌چرخند.

البته، هر پمپ لیزری نیازی به پف کردن یک اتم به نسبت های کارتونی ندارد. در واقع، لیزرها به طور معمول برای قلقلک دادن الکترون ها به حالت های انرژی بالاتر برای مصارف مختلف استفاده می شوند.

در برخی کاربردها می توان از لیزر دوم برای نظارت بر تغییرات موقعیت الکترون از جمله گذر زمان استفاده کرد. به عنوان مثال می توان از این تکنیک های «پمپ-کاوشگر» برای اندازه گیری سرعت برخی از وسایل الکترونیکی فوق سریع استفاده کرد.

القای اتم‌ها به حالت‌های رایدبرگ یک ترفند مفید برای مهندسان است، به ویژه در مورد طراحی اجزای جدید برای رایانه‌های کوانتومی. نیازی به گفتن نیست که فیزیکدانان مقدار قابل توجهی اطلاعات در مورد نحوه حرکت الکترون ها هنگام ضربه زدن به حالت رایدبرگ جمع آوری کرده اند.

با این حال، از آنجایی که آنها حیوانات کوانتومی هستند، حرکات آنها کمتر شبیه مهره‌هایی است که روی چرتکه‌ای کوچک می‌لغزند، و بیشتر شبیه یک عصر روی میز رولت است، جایی که هر چرخش و پرش توپ در یک بازی شانس فشرده می‌شود.

قوانین ریاضی پشت این بازی درهم برهم رولت الکترونی رایدبرگ به عنوان بسته موجی رایدبرگ نامیده می شود.

درست مانند امواج واقعی در یک برکه، وجود بیش از یک بسته موج رایدبرگ که در یک فضای مواج تداخل ایجاد می کند و در نتیجه الگوهای بی نظیری از امواج ایجاد میشود. بسته‌های موج رایدبرگ کافی را در یک حوض اتمی پرتاب کنید، و آن الگوهای منحصربه‌ فرد هر کدام نشان‌دهنده زمان مشخصی است که طول می‌کشد تا بسته‌های موج مطابق با یکدیگر تکامل یابند.

این همان «اثرانگشت» زمان بود که فیزیکدانان پشت این مجموعه آزمایش‌های اخیر شروع به آزمایش کردند و نشان دادند که به اندازه کافی سازگار و قابل اعتماد هستند تا به عنوان شکلی از مهر زمانی کوانتومی عمل کنند.

تحقیقات آنها شامل اندازه‌گیری نتایج اتم‌های هلیوم تحریک‌ شده با لیزر و تطبیق یافته‌های آن‌ها با پیش‌بینی‌های نظری بود تا نشان دهند چگونه نتایج اثر آن‌ها می‌تواند برای مدتی ثابت بماند.

مارتا برهولتز، فیزیکدان از دانشگاه اوپسالا در سوئد، که سرپرستی تیم را بر عهده داشت، به نیوساینتیست توضیح داد: اگر از شمارنده استفاده می کنید، باید صفر را تعریف کنید. شما در یک نقطه شروع به شمارش می کنید.

مزیت این کار این است که شما مجبور نیستید ساعت را آغاز کنید ، فقط به ساختار تداخل نگاه می‌کنید و می‌گویید خوب، 4 نانوثانیه گذشته است.

کتاب راهنمای بسته‌های موجی رایدبرگ در حال تکامل را می‌توان در ترکیب با سایر اشکال طیف‌سنجی پمپ کاوشگر استفاده کرد که رویدادها را در مقیاسی کوچک اندازه‌گیری می‌کند، زمانی که اکنون و سپس کمتر واضح هستند، یا اندازه‌گیری آنها به راحتی انجام نمیگیرد.

نکته مهم این است که هیچ یک از اثر انگشت ها نیاز به اکنون و سپس ندارند تا به عنوان نقطه شروع و توقف زمان عمل کنند. این مانند اندازه گیری مسابقه دو سرعتی ناشناخته در برابر تعدادی رقیب است که با سرعت تعیین شده می دوند.

با نگاه کردن به اثر حالت های تداخلی رایدبرگ در میان نمونه ای از اتم های پمپ-کاوشگر، تکنسین ها می توانند مهر زمانی را برای رویدادهایی به سرعت 1.7 تریلیونم ثانیه مشاهده کنند.

آزمایش‌های ساعت کوانتومی آینده می‌توانند هلیوم را با اتم‌های دیگر جایگزین کنند، یا حتی از پالس لیزری با انرژی‌های مختلف استفاده کنند تا کتاب راهنمای مُهرهای زمانی را برای سازگاری با طیف وسیع‌تری از شرایط گسترش دهند.(این تحقیق در Physical Review Research منتشر شده است.)