Время без границ: MIT преодолевает квантовые ограничения

В области измерения времени наступает новая эра, благодаря исследованию Массачусетского технологического института (MIT), открывающему новые горизонты в точности часов, что может помочь в изучении квантовых явлений, включая обнаружение темной материи.

Ключ к новой технологии заключается в стабильности колебаний. Традиционные часы, будь то маятниковые или с кварцевым кристаллом, используют физические колебания для измерения времени. Однако атомные часы, самые современные в мире, используют колебания лазерного луча, возбуждающие атомы до частоты в 9,2 миллиарда раз в секунду, обеспечивая чрезвычайную точность, необходимую для спутниковой связи, GPS-систем и финансовых рынков.

Основная проблема стабильности часов заключается во внешних помехах. Например, легкий ветер может сбить маятниковые часы, а тепло – нарушить колебания атомов в атомных часах. Однако исследователи из МТИ обнаружили, что даже при полном исключении внешних помех, стабильность часов всё равно будет ограничена квантовыми эффектами. Именно квантовый шум становится пределом точности колебательных устройств, таких как лазеры и часы.

Однако ученые предложили способ преодолеть этот квантовый предел. Их исследование показало, что манипулирование, или «сжатие», состояний, вызывающих квантовый шум, может улучшить стабильность осциллятора, даже превысив его квантовый предел. Вивишек Судхир, ассистент профессора механического инжиниринга в MIT, объясняет: «Мы показали, что есть предел стабильности осцилляторов, который определяется не только окружающей средой, но и квантовой механикой, заставляющей их немного колебаться».

В экспериментальной части исследования команда работает над демонстрацией теории на практике. Если удастся манипулировать квантовыми состояниями в осциллирующей системе, это позволит настроить часы, лазеры и другие осцилляторы на сверхквантовую точность. Такие системы смогут отслеживать крайне малые различия во времени, например, колебания одного кубита в квантовом компьютере или присутствие частицы темной материи.

Хадсон Лафлин, аспирант физического факультета MIT, делится планами на ближайшие годы: «Мы планируем продемонстрировать несколько примеров лазеров с улучшенной квантовой способностью отслеживания времени». Результаты исследования опубликованы в открытом доступе в журнале Nature Communications .

Изучая стабильность осцилляторов, ученые сначала обратили внимание на лазер – оптический осциллятор, производящий волновой луч высокосинхронизированных фотонов. Дизайн лазера основан на «среде генерации» — совокупности атомов, обычно встроенных в стекло или кристаллы. В лазерах нового поколения, в отличие от первых моделей, фотоны и атомы взаимодействуют на квантовом уровне, что ограничивает стабильность их колебаний.

Судхир подчеркивает, что предыдущие исследования лазеров касались очень детальных и сложных расчетов, ограниченных определенными типами лазеров. Однако команда MIT стремилась упростить этот процесс, чтобы понять принцип работы не только лазеров, но и широкого спектра осцилляторов. Вместо фокусировки на физических деталях лазера, исследователи предпочли упростить проблему, создав упрощенную модель лазероподобного осциллятора, состоящую из усилителя (например, атомов лазера), линии задержки (время, необходимое свету для перемещения между зеркалами лазера) и соединителя (частично отражающее зеркало).

Команда также вывела уравнения физики, описывающие поведение системы, и провела расчеты, чтобы узнать, где в системе возникает квантовый шум. Они показали, что этот квантовый предел можно преодолеть, если сжать квантовые колебания в одном из источников. Квантовое сжатие - это идея минимизации квантовых колебаний в одном аспекте системы за счет пропорционального увеличения колебаний в другом. В случае лазера команда обнаружила, что если сжать квантовые колебания в соединителе, это может улучшить точность или время колебаний исходящего лазерного луча, даже если шум в мощности лазера как результат увеличится.

Судхир замечает: «Когда вы находите какой-то квантовый предел, всегда возникает вопрос, насколько этот предел изменчив? Является ли он действительно непреодолимым, или есть еще некий потенциал, который можно извлечь, манипулируя квантовой механикой? В этом случае мы обнаружили, что есть, что применимо к огромному классу осцилляторов».