Физики переизобрели квантовые часы

Шведские ученые сообщили об изобретении квантовых часов с иным принципом работы, нежели в традиционных часах, включая атомные. Новое устройство измеряет время благодаря квазиуникальному характеру колебаний большого волнового пакета ридберговских состояний атома гелия. Имея на руках симуляцию его эволюции, физики с точностью до восьми фемтосекунд могут сказать, в какой момент времени был измерен ее слепок без необходимости следить за колебанием с самого начала. Квантовые часы позволили обнаружить дефект в работе коммерческой линии задержки оптического излучения. Исследование опубликовано в Physical Review Research.

Принцип работы большинства часов основан на существовании внутри них некоторого периодического колебания, механического или электрического. Стабильность таких колебаний определяет количество времени, за которое часы отстают или спешат на одну секунду.

Этот принцип не изменился при переходе к более точным атомным, а затем и оптическим часам. В основе их работы лежат колебания, соответствующие переходам между атомными уровнями. Частоты атомных переходов демонстрируют куда большую стабильность. Сейчас существуют часы, которые ошибаются на одну секунду за несколько сотен миллиардов лет. Поскольку работа атомных часов основана на стабильном колебании, время в них измеряется относительно некоторой стартовой точки отсчета.

Совершенно иной принцип к измерению времени с помощью атомов предложила Марта Берхольц (Marta Berholts) и ее коллеги из университета Уппсалы. Их устройство основано на когерентном колебании электронного волнового пакета в ридберговском атоме. Однако, в отличие от обычных часов, это колебание максимально непериодично, а потому каждый его временной участок уникален. Это позволяет, зная всю временную зависимость, точно определить время, прошедшее с момента инициации колебания до момента измерения без необходимости фиксировать первый. Чтобы подчеркнуть это отличие новых квантовых часов от уже привычных атомных часов, авторы использовали слово «watch», которое в английском языке обозначает переносимые (наручные или карманные) часы.

Ридберговским называется такой атом, чей валентный электрон занимает достаточно высокий энергетический уровень. Благодаря этому средний радиус его орбиты оказывается очень большим, что определяет множество необычных свойств ридберговских атомов, используемых для квантовых симуляций, создания гигантских молекул, приема радиосигнала и многого другого. В текущей же работе физики использовали другое свойство высоковозбужденных электронов, а именно ярко выраженную временную зависимость радиальной части их волновой функции.

Поведение электронной волновой функции подчиняется тем же законам, что отвечают за поведение иных типов волн. Волна одной частоты в отсутствие затухания всегда поддерживает одинаковую амплитуду на каждом цикле колебания. Сложение двух волн с разными частотами усложняет картину: амплитуда суммарного колебания сама начинает колебаться с частотой, равной полуразности частот — происходят биения. Добавление большего числа тонов делает интерференцию более сложной. Стоит отметить, что суммарное колебание при этом на большом масштабе все еще остается периодическим, однако с ростом числа компонент волнового пакета период растет. Наконец, когда этот период начинает превышать время жизни колебательной системы, зависимость амплитуды от времени будет квазиуникальной в каждый момент колебания. Именно этот принцип и использовали физики в новых квантовых часах.

Эксперимент ученых заключался в возбуждении атомов гелия коротким ультрафиолетовым импульсом с широким (0,1 электронвольта) спектром, лежащим в окрестности энергии ионизации (24,59 электронвольта), с последующим зондированием с помощью инфракрасного импульса. Они настраивали время прибытия второго импульса с помощью моторизованной линии задержки, произведенной фирмой Aerotech. Зондирование приводило к вылету электронов, чей спектр измеряли физики.

При условиях, выбранных авторами, вклад в амплитуду вероятности ионизации давало множество ридберговских состояний с главными квантовыми числами, превышающими 10. Их интерференция приводила к тому, что зависимость электронного спектра от времени оставалась уникальной в течение всего времени жизни возбужденных состояний (самое короткое из них было равно 60 наносекундам). Физики вели наблюдения вплоть до 81 пикосекунды и сравнивали результаты с симуляциями. Модель включала в себя учет небольшого смещения реальных энергий ридберговского атома (квантовый дефект) от таковых, описываемых простой формулой Ридберга. Результат показал очень хорошее согласие и даже позволил оценить точность вычислений квантового дефекта.

Для доказательства работоспособности часов физикам требовалось убедиться, что произвольный временной отрезок экспериментальных данных не повторяется на всем времени жизни системы. Они проверили это на 24 отрезках, показав, что 100-процентная уникальность достигается тогда, когда их длина превышает 1,7 пикосекунды.

Точность новых часов определялась исключительно разницей между экспериментально наблюдаемыми спектрами и теоретической моделью. Суммарная ошибка при подгонке параметров соответствовала погрешности часов, равной восьми фемтосекундам. Этого оказалось достаточно, чтобы выяснить, что коммерческая линия, которая задерживала физикам инфракрасный импульс, ошибается на одну фемтосекунду на каждую пикосекунду задержки.

Несмотря на слово «watch», представленные квантовые часы — не портативные и привязаны к лаборатории. Портативная же версия квантовых (вернее, атомных) часов пока только разрабатывается.