Pendulum clocks were much more accurate than those that came before
Pierwszy kompletny projekt zegara dziadka kwantowego wykorzystuje pojedynczy atom, małe lustra i światło. Jego budowa może pomóc zrozumieć, co sprawia, że każdy zegar jest dokładny w obszarze kwantowym i badać pomysły na granicy fizyki.
Na najbardziej podstawowym poziomie, czas można mierzyć czymś prostym, jak piasek przesypujący się przez klepsydrę. Ale mierzenie czasu stało się o wiele dokładniejsze po wynalezieniu zegarów mechanicznych, takich jak zegar dziadka czy zegar wahadłowy, w XVII wieku. Matteo Brunelli z Collège de France i jego koledzy pokazali teraz, że takie zegary mają odpowiednik kwantowy.
„Zadaliśmy sobie pytanie: 'Czy zegar wahadłowy może działać zgodnie z prawami mechaniki kwantowej?’ Nie mogliśmy być pewni”, mówi.
Każdy zegar wahadłowy ma trzy podstawowe elementy, zaczynając od wahadła, które określa tiki zegara swoimi oscylacjami. Następnie są to ciężarki wewnątrz zegara, które wykorzystują siłę ciążenia do poruszania wahadła. Wreszcie, zegar wahadłowy wymaga „mechanizmu ucieczki”, który zamienia oscylacje wahadła w ruch wskazówek zegara i dostarcza wahadłu małe impulsy energii, aby zapobiec tarcie spowolnienie go. Szczególnie, aby wahadło wciąż oscylowało w lewo i w prawo o tę samą wartość za każdym razem, mechanizm ucieczki musi kontrolować ruch w górę i w dół ciężarków.
Badacze opracowali model matematyczny, który replikował wszystkie te cechy kwantowych obiektów. W ich projekcie zegar stanowi przestrzeń składająca się z dwóch luster, które na siebie patrzą – jedno jest stałe, a drugie może oscylować tam i z powrotem. Między lustrami znajduje się atom, który może mieć trzy różne energie. Małe fluktuacje temperatury w środowisku przestrzeni sprawiają, że atom przechodzi z jednej energii do innej, a niektóre przejścia są towarzyszone przez emisję fotonu przez atom. Ten foton odbija się między lustrem, powodując oscylację jednego z nich, analogicznie do spadających ciężarków ustawiających wahadło w ruch.
Atom pełni rolę mechanizmu ucieczki, powtarzając przesuwanie się między swoimi stanami energetycznymi, zapewniając sekwencję tików i toków. Brunelli mówi, że jest to najmniejszy mechanizm ucieczki, jaki może być. Analiza matematyczna zespołu pokazała, że jeśli wszystko było odpowiednio dostrojone, kwantowy zegar osiągnąłby stabilne, niezawodne, tikanie – tak jak powinien zegar wahadłowy.
Brunelli mówi, że w przeciwieństwie do najlepszych na świecie zegarów opartych na atomach, które muszą być kontrolowane przez lasery, ten zegar byłby autonomiczny, działając bardziej jak samodzielna maszyna termodynamiczna. Autonomiczne zegary kwantowe były już projektowane, ale ponieważ nie utrzymywały tych samych równomiernych oscylacji poprzez mechanizm ucieczki, były mniej dokładne, mówi.
W rzeczywistości nowy zegar złamał granicę dokładności zwaną „niepewnością termodynamiczną”, która ograniczała wiele poprzednich autonomicznych zegarów. Dzieje się tak, ponieważ dokładność każdego zegara związana jest z tym, ile trudu zajęłoby mu pracowanie do tyłu – a dokładność nowego zegara była proporcjonalna do jego nieodwracalności w sposób uznawany za korzystny dla szczególnie dobrego mierzenia czasu.
Sreenath Manikandan z Tata Institute of Fundamental Research Hyderabad w Indiach mówi, że zrozumienie autonomicznych zegarów jest kluczowe dla zrozumienia mierzenia czasu, ponieważ nie polegają one na innym zegarze, aby pozostać dokładne, dlatego uchwycą najbardziej elementarną wersję procesu. Im bardziej rozumiemy zegary kwantowe na najbardziej elementarnym poziomie, tym bardziej przydatne mogą być do sondowania nowej fizyki, takiej jak zachowanie grawitacji w obszarze kwantowym, mówi. „Głębokie zrozumienie mechanizmu działania zegara jest bardzo pożądane, a nowa praca stanowi znaczący postęp w tym kierunku”, mówi Manikandan.
Eksperymenty z małymi przestrzeniami i fotonami są częste, więc wiele składników niezbędnych do zbudowania nowego zegara w laboratorium już istnieje. Jednak Brunelli mówi, że mechanizm ucieczki jest na tyle nowatorski, że budowanie takiego eksperymentu jest technicznie wymagające. „Ale to nie jest całkowicie niemożliwe”, mówi.
