Technológia otvára cestu k zostrojeniu neuveriteľne presných prenosných hodín určených na premeriavanie celého fyzikálneho sveta okolo nás.
Nová kvantová metóda, ktorú výskumníci nazývajú globálna fázová spektroskopia, ponúka spôsob, ako udržať laser atómových hodín vysoko stabilný. Zdroj: MIT. Credit: Ryley McConkey
Či už kontrolujete čas na mobile, platíte kartou, alebo používate navigáciu, spoliehate sa v tej chvíli na presnosť atómových hodín. Zvykli sme si na ich mimoriadnu spoľahlivosť, ale vedci z Massachusettskej technickej univerzity (MIT) oznámili ďalší prelom v meraní času: ich optické atómové hodiny teraz dosahujú dvojnásobnú presnosť.
Využili totiž kvantovú metódu, ktorú pomenovali globálna fázová spektroskopia. Tá potláča takzvaný kvantový šum, teda jav, ktorý doteraz obmedzoval presnosť aj tých najvyspelejších atómových časomerov. Výskum bol publikovaný v časopise Nature.
Potlačenie kvantového šumu
Atómové hodiny merajú čas podľa extrémne presných kmitov atómov, ktoré fungujú ako prírodné metronómy. Zatiaľ čo klasické céziové hodiny využívajú kmity s frekvenciou okolo desiatich miliárd za sekundu, optické hodiny novej generácie s atómami yterbia by mohli dosahovať až 100 biliónov kmitov za sekundu.
Toto sú najpresnejšie hodiny sveta na báze extrémne podchladených atómov yterbia, ktoré sú umiestnené vo vákuovej komore. Atómy sú zarovnané laserom do presnej optickej mriežky a „rozkmitané“ druhým laserom. Sú také stabilné, že dvoje rovnaké hodiny sa navzájom merateľne rozídu až po čase, ktorý ubehol od vzniku nášho vesmíru, čo je viac ako 13 miliárd rokov. Na porovnanie uveďme, že naše bežné náramkové hodiny sú približne desať miliárd ráz menej presné. Zdroj: Burrus/NIST
Najväčšou prekážkou mimoriadne vysokej presnosti merania času na kvantovej úrovni je kvantový šum. Ide o principiálny limit, ktorý nám bráni dokonale sledovať prirodzené oscilácie atómov. Predstavte si ho ako jemné syčanie, ktoré prehlušuje dokonale pravidelný tikot.
Základy aktuálneho úspechu položili vedci už v roku 2020. Fyzik Vladan Vuletić a jeho tím vtedy preukázali, že presnosť hodín sa dá zlepšiť pomocou kvantového previazania. Donútili niekoľko stoviek atómov yterbia, aby sa správali ako jeden dokonale zladený celok. Vďaka kvantovému previazaniu sa šum prerozdelil spôsobom, ktorý zvýraznil spoločný „tikot“, ktorý bol potom zreteľnejší a lepšie merateľný.
Pozrite si
Kľúčová fáza
Vedci zistili, že keď laser interaguje s previazanými atómami, zanecháva v nich stopu, aj keď sa atómy vrátia do pôvodného energetického stavu. Táto stopa, odborne nazývaná globálna fáza, bola predtým považovaná za nepodstatný vedľajší jav. Ukázalo sa však, že práve ona nesie informáciu o frekvencii a stabilite samotného lasera. Pokiaľ sa ju podarí zosilniť (tzv. kvantová amplifikácia), vzniká mimoriadne citlivý detektor odchýlok.
Kombináciou oboch prístupov sa podaril skutočný prelom. Tím dokázal zdvojnásobiť počet „tiknutí“, ktoré je možné počas rovnakého času odlíšiť. Hodiny teraz „počujú“ dvojnásobne jemnejší rytmus atómov, teda dokážu rozlíšiť menší rozdiel medzi laserovou a atómovou frekvenciou. Metóda navyše zvýšila stabilitu lasera.
„Zistili sme, že teraz dokážeme rozlíšiť takmer dvakrát menší rozdiel v optickej frekvencii bez toho, aby nás obmedzoval kvantový šum,“ zhrnul hlavný autor štúdie Leon Zaporski.
Táto technológia otvára cestu ku konštrukcii stabilných a prenosných optických atómových hodín. Takéto prístroje by sa mohli presunúť z laboratórií do najviac potrebných miest a pomáhať napríklad pri hľadaní tmavej hmoty, testovaní základných fyzikálnych zákonov, overovaní fyzikálnych konštánt, detekcii gravitačných anomálií a možno dokonca aj pri predpovedaní zemetrasenia.
(zh)
