Запутывание атомных часов увеличило их точность

Британские физики измерили разность частот у двух оптических атомных часов на основе запутанных ионов стронция. Они опытным путем доказали, что запутывание часов положительно сказывается на точности измерения по сравнению с измерением на незапутанных или одиночных часах. В будущем это поможет преодолеть стандартный квантовый предел и сделать метрологию на основе атомных часов еще точнее. Исследование опубликовано в Nature.

Работа атомных часов, несмотря на свое название, сконцентрирована по большей части на точном измерении частоты, нежели времени. В оптическом варианте часов физики используют лазер для управления электронными колебаниями между основным и возбужденным состояниями атома. По характеру этих колебаний они могут определить, насколько частота лазера отличается от частоты атомного перехода.

Оптические атомные часы идеально подходят для исследования того, как на атомы влияют разнообразные тонкие эффекты, в том числе и те, которые могут быть ответственны за Новую физику. Для этого физики сравнивают частоты двух часов, побывавших в разных условиях. Например, таким способом они смогли почувствовать гравитационное красное смещение на перепаде высот всего в один миллиметр.

Работе часов может мешать множество шумов, в особенности флуктуации фазы лазера. Ученые активно ищут способы борьбы с шумами и повышения точности часов, например, с помощью введения синтетических частот. Шумы можно было бы минимизировать в том числе и за счет многократного измерения частоты, однако этот подход сталкивается с погрешностью, вносимой однократным измерением и обусловленной стандартным квантовым пределом, то есть влиянием измерения на сам объект. Подробнее про стандартный квантовый предел вы можете прочитать в материале «Далеко ли до предела?».

Для того чтобы ослабить эти ограничения, группа физиков из Оксфордского университета под руководством Кристофера Балланса (Christopher Ballance) и Дэвида Лукаса (David Lucas) предложила запутать атомные часы и измерять разность их частот с помощью одного лазера. В отсутствии запутанности такой подход помогает избавиться от шума, вызванного флуктуациями лазерной фазы, хотя фундаментальное ограничение неопределенности при измерении разности частот в корень из двух раз превышает таковое для одноатомного измерения. Теория же предсказывает, что в максимально запутанном состоянии оно, наоборот, будет в корень из двух раз меньше, а значит позволит преодолеть стандартный квантовый предел.

Для проверки этой идеи физики использовали два иона стронция-88, разделенных расстоянием в два метра. Ранее эта группа уже смогла добиться их запутанности в течение восьми миллисекунд со степенью совпадения (fidelity), равной 0,96. Для этого они направляли фотоны, спонтанно излученные ионами в состоянии с неопределенной проекцией полного момента, в анализатор состояния Белла, который устанавливал корреляцию между атомами. Авторы проводили прямое измерение разности атомных частот с помощью метода Рамзея и следили за коррелированным сигналом четности двух ионов. Такую же процедуру они повторили для незапутанных ионов, а также для измерения частоты одиночного иона.

Мерой неопределенности измерения частоты был контраст колебания сигнала четности с ростом фазы на одном из ионов. Физики сравнивали этот контраст для всех трех случаев в зависимости от длительности рамзей-измерения и конвертировали его в частоты. С ростом длительности частотная неопределенность во всех трех случаев уменьшалась до некоторого минимума, после чего начинался ее рост. При этом запутанность ионов давала ощутимое улучшение точности на всех временных интервалах.

Чтобы ощутить увеличение точности на практике, ученые немного сместили уровни одного из ионов за счет динамического эффекта Штарка, отстроив лазер. Конвертируя сигнал четности в разницу частот, они получили −8,8 ± 2,5 герц для незапутанных и −8,6 ± 0,6 герц для запутанных ионов. В таком эксперименте отношение неопределенностей оказалось больше двух, вопреки предсказаниям теории. Авторы связали этот избыток с членами в выражении для сигнала четности, которые отсутствуют в запутанном случае. По их мнению, это отношение приблизилось бы к двойке при увеличении времени измерения, однако в их установке такой возможности не было. Тем не менее, результаты физиков надежно свидетельствуют о том, что запутанность ионов эффективно снижает неопределенность в измерении частоты.

Ранее мы рассказывали, как сжатый свет помог охладить мембрану до состояния с энергией меньше стандартного квантового предела. О том, как это работает и помогает обнаружить гравитационные волны, читайте в материале «Точилка для квантового карандаша».

Марат Хамадеев