Φυσικοί βελτιώνουν την ακρίβεια των ατομικών ρολογιών μειώνοντας τον κβαντικό θόρυβο

Κάθε φορά που κοιτάζετε την ώρα στο κινητό σας, κάνετε μια ηλεκτρονική συναλλαγή ή χρησιμοποιείτε μια εφαρμογή πλοήγησης, βασίζεστε στην ακρίβεια των ατομικών ρολογιών.

Τα ατομικά ρολόγια μετρούν τον χρόνο καταγράφοντας τις φυσικές ταλαντώσεις των ατόμων σε εξαιρετικά σταθερές συχνότητες. Τα σημερινά ρολόγια παρακολουθούν άτομα καισίου, τα οποία «τικάρουν» πάνω από 10 δισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο. Κάθε τικ παρακολουθείται με λέιζερ συγχρονισμένα σε μικροκυματικές συχνότητες.

Οι επιστήμονες αναπτύσσουν ρολόγια νέας γενιάς που βασίζονται σε ακόμη ταχύτερα άτομα, όπως το ytterbium, τα οποία επιτρέπουν παρακολούθηση με λέιζερ σε οπτικές συχνότητες, φτάνοντας έως και τα 100 τρισεκατομμύρια τικ ανά δευτερόλεπτο.

Η νέα μέθοδος: «Global Phase Spectroscopy»

Φυσικοί του MIT κατάφεραν τώρα να βελτιώσουν τη σταθερότητα των οπτικών ατομικών ρολογιών μειώνοντας τον κβαντικό θόρυβο – έναν θεμελιώδη περιορισμό που πηγάζει από την κβαντική μηχανική και θολώνει τις καθαρές ταλαντώσεις των ατόμων.

Ανακάλυψαν επίσης ότι ένα φαινόμενο του λέιζερ πάνω στα άτομα, που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδιάφορο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σταθεροποιήσει περαιτέρω το λέιζερ.

Η ομάδα χρησιμοποίησε μια τεχνική που ονόμασαν «global phase spectroscopy» για να εκμεταλλευτεί μια παγκόσμια φάση που προκαλείται στα άτομα από το λέιζερ. Με τη βοήθεια ενίσχυσης μέσω κβαντικής τεχνικής, διπλασίασαν την ακρίβεια ενός οπτικού ατομικού ρολογιού, επιτρέποντας τη μέτρηση διπλάσιων τικ ανά δευτερόλεπτο σε σύγκριση με την προηγούμενη μέθοδο.

Κβαντική διεμπλοκή: Η βάση της ακρίβειας

Το 2020, ο καθηγητής Vladan Vuletić και η ομάδα του στο MIT έδειξαν πως η κβαντική διεμπλοκή (entanglement) μεταξύ εκατοντάδων ατόμων ytterbium μπορούσε να βελτιώσει την ακρίβεια ατομικών ρολογιών. Οι επιστήμονες ψύξαν τα άτομα και τα παγίδευσαν σε έναν οπτικό θάλαμο μεταξύ δύο καθρεπτών, μέσα στον οποίο κυκλοφορούσε το λέιζερ, προκαλώντας τη διεμπλοκή των ατόμων.

Αυτό μείωσε τον θόρυβο μέτρησης, επιτρέποντας πιο καθαρό «τικ». Ωστόσο, περιορίζονταν από τη χαμηλή σταθερότητα του λέιζερ, που δεν ταίριαζε με την υψηλή συχνότητα των ατόμων.

Το 2022, η ίδια ομάδα παρουσίασε μια βελτίωση βασισμένη στην αντιστροφή χρόνου (time reversal), η οποία ενίσχυσε το σήμα μέσω της διεμπλοκής και αποδιεμπλοκής των ατόμων. Αλλά και τότε, το πρόβλημα της συχνότητας του λέιζερ παρέμενε, καθώς συνέχιζαν να χρησιμοποιούν μικροκύματα και όχι οπτικές συχνότητες.

Η καινοτομία του 2025: Ανάγνωση της «παγκόσμιας φάσης»

Στη νέα τους μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την ίδια προσέγγιση με οπτικά λέιζερ συγχρονισμένα με τις ταλαντώσεις των ατόμων ytterbium. Κατάφεραν να σταθεροποιήσουν καλύτερα το λέιζερ αναγνωρίζοντας μια παγκόσμια αλλαγή φάσης που προκαλείται όταν το φως αλληλεπιδρά με διεμπλεκόμενα άτομα.

Παρόλο που τα άτομα επιστρέφουν στην αρχική τους ενεργειακή κατάσταση, διατηρούν «μνήμη» του ταξιδιού τους μέσω αυτής της παγκόσμιας φάσης. Αυτή η φάση περιέχει πληροφορίες για τη συχνότητα του λέιζερ, σύμφωνα με τον Vuletić.

«Θα νόμιζε κανείς ότι δεν κάναμε τίποτα, αφού τα άτομα επιστρέφουν στην ίδια ενεργειακή κατάσταση. Όμως αυτή η ‘παγκόσμια φάση’ φέρει πληροφορίες για το λέιζερ», λέει ο Vuletić.

Ενίσχυση πάνω από τον κβαντικό θόρυβο

Η καινοτομία επιτρέπει τη μεγέθυνση της διαφοράς μεταξύ της συχνότητας του λέιζερ και της ατομικής μετάβασης, καθιστώντας την ανιχνεύσιμη ακόμα και πάνω από τον κβαντικό θόρυβο, ο οποίος μέχρι τώρα την έκρυβε.

«Μπορούμε πλέον να ανιχνεύουμε σχεδόν διπλάσια μικρές διαφορές στη συχνότητα, χωρίς να ξεπερνάμε το κβαντικό όριο», αναφέρει ο Zaporski.

Προς φορητά ατομικά ρολόγια

Η ομάδα θεωρεί ότι η μέθοδος τους μπορεί να καταστήσει τα ατομικά ρολόγια πιο σταθερά και φορητά, επιτρέποντας τη χρήση τους σε διάφορες περιοχές για μετρήσεις φυσικών φαινομένων.

«Με αυτά τα ρολόγια, προσπαθούμε να ανιχνεύσουμε σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια, να ελέγξουμε αν υπάρχουν μόνο τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις, ακόμα και να δούμε αν μπορούν να προβλέψουν σεισμούς», λέει ο Vuletić.
«Πιστεύουμε ότι η μέθοδός μας μπορεί να βοηθήσει στο να γίνουν αυτά τα ρολόγια φορητά και να χρησιμοποιηθούν όπου χρειάζεται.»

Συντελεστές μελέτης

Η εργασία δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature, με συγγραφείς τους Leon Zaporski, Qi Liu, Gustavo Velez, Matthew Radzihovsky, Zeyang Li, Simone Colombo και Edwin Pedrozo-Peñafiel, μέλη του MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms και του MIT Research Laboratory of Electronics.