Atoomklokken zijn de meest nauwkeurige tijdwaarnemers ter wereld. Deze voortreffelijke instrumenten gebruiken lasers om de trillingen van atomen te meten, die oscilleren met een constante frequentie, zoals veel microscopisch kleine slingers die synchroon slingeren. De beste atoomklokken ter wereld houden de tijd zo nauwkeurig bij dat, als ze al vanaf het begin van het heelal hadden gerend, ze zouden er vandaag maar een halve seconde naast zitten.

Nog altijd, ze kunnen nog nauwkeuriger zijn. Als atoomklokken atoomtrillingen nauwkeuriger zouden kunnen meten, ze zouden gevoelig genoeg zijn om verschijnselen zoals donkere materie en zwaartekrachtsgolven te detecteren. Met betere atoomklokken, wetenschappers kunnen ook beginnen met het beantwoorden van enkele verbijsterende vragen, zoals welk effect zwaartekracht kan hebben op het verstrijken van de tijd en of de tijd zelf verandert naarmate het universum ouder wordt.

Nu kan een nieuw soort atoomklok, ontworpen door MIT-fysici, wetenschappers in staat stellen dergelijke vragen te onderzoeken en mogelijk nieuwe fysica te onthullen.

De onderzoekers rapporteren in het tijdschrift Natuur dat ze een atoomklok hebben gebouwd die geen wolk van willekeurig oscillerende atomen meet, zoals state-of-the-art ontwerpen nu meten, maar in plaats daarvan atomen die kwantumverstrengeld zijn. De atomen zijn gecorreleerd op een manier die onmogelijk is volgens de wetten van de klassieke natuurkunde, en dat stelt de wetenschappers in staat om de trillingen van de atomen nauwkeuriger te meten.

De nieuwe opstelling kan vier keer sneller dezelfde precisie bereiken dan klokken zonder verstrengeling.

"Verstrengeling verbeterde optische atoomklokken zullen het potentieel hebben om in één seconde een betere precisie te bereiken dan de huidige ultramoderne optische klokken, " zegt hoofdauteur Edwin Pedrozo-Peñafiel, een postdoc in MIT's Research Laboratory of Electronics.

Als state-of-the-art atoomklokken werden aangepast om verstrengelde atomen te meten zoals de opstelling van het MIT-team doet, hun timing zou zo verbeteren dat, over de hele leeftijd van het heelal, de klokken zouden minder dan 100 milliseconden afwijken.

De andere co-auteurs van het artikel van MIT zijn Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, en Vladan Vuletic, de Lester Wolfe hoogleraar natuurkunde.

Tijdslimiet

Sinds mensen het verstrijken van de tijd begonnen te volgen, ze hebben dit gedaan met behulp van periodieke verschijnselen, zoals de beweging van de zon langs de hemel. Vandaag, trillingen in atomen zijn de meest stabiele periodieke gebeurtenissen die wetenschappers kunnen waarnemen. Verder, een cesiumatoom oscilleert met precies dezelfde frequentie als een ander cesiumatoom.

Om de perfecte tijd te behouden, klokken zouden idealiter de oscillaties van een enkel atoom volgen. Maar op die schaal een atoom is zo klein dat het zich gedraagt ​​volgens de mysterieuze regels van de kwantummechanica:gemeten, het gedraagt ​​​​zich als een omgedraaide munt die alleen wanneer het gemiddelde over vele flips wordt genomen, de juiste kansen geeft. Deze beperking is wat natuurkundigen de standaard kwantumlimiet noemen.

"Als je het aantal atomen vergroot, het gemiddelde van al deze atomen gaat naar iets dat de juiste waarde geeft, ' zegt Colombo.

Dit is de reden waarom de atoomklokken van vandaag zijn ontworpen om een ​​gas te meten dat bestaat uit duizenden van hetzelfde type atoom, om een ​​schatting te krijgen van hun gemiddelde oscillaties. Een typische atoomklok doet dit door eerst een systeem van lasers te gebruiken om een ​​gas van ultragekoelde atomen in een door een laser gevormde val te drijven. Een seconde, zeer stabiele laser, met een frequentie die dicht bij die van de trillingen van de atomen ligt, wordt gestuurd om de atomaire oscillatie te onderzoeken en daardoor de tijd bij te houden.

En toch, de standaard kwantumlimiet is nog steeds aan het werk, wat betekent dat er nog enige onzekerheid is, zelfs tussen duizenden atomen, met betrekking tot hun exacte individuele frequenties. Dit is waar Vuletic en zijn groep hebben aangetoond dat kwantumverstrengeling kan helpen. In het algemeen, kwantumverstrengeling beschrijft een niet-klassieke fysieke toestand, waarin atomen in een groep gecorreleerde meetresultaten laten zien, ook al gedraagt ​​elk afzonderlijk atoom zich als het willekeurig opgooien van een munt.

Het team redeneerde dat als atomen verstrengeld zijn, hun individuele oscillaties zouden toenemen rond een gemeenschappelijke frequentie, met minder afwijking dan wanneer ze niet verstrengeld waren. De gemiddelde oscillaties die een atoomklok zou meten, daarom, zou een precisie hebben die verder gaat dan de standaard kwantumlimiet.

Verstrengelde klokken

In hun nieuwe atoomklok, Vuletic en zijn collega's verstrengelen ongeveer 350 atomen van ytterbium, die oscilleert met dezelfde zeer hoge frequentie als zichtbaar licht, wat betekent dat elk atoom 100 trilt, 000 keer vaker in één seconde dan cesium. Als de oscillaties van ytterbium nauwkeurig kunnen worden gevolgd, wetenschappers kunnen de atomen gebruiken om steeds kleinere tijdsintervallen te onderscheiden.

De groep gebruikte standaardtechnieken om de atomen af ​​te koelen en ze op te sluiten in een optische holte gevormd door twee spiegels. Ze stuurden toen een laser door de optische holte, waar het pingpongde tussen de spiegels, duizenden keren interactie met de atomen.

"Het is alsof het licht dient als een communicatieverbinding tussen atomen, Shu legt uit. "Het eerste atoom dat dit licht ziet, zal het licht enigszins wijzigen, en dat licht verandert ook het tweede atoom, en het derde atoom, en door vele cycli, de atomen kennen elkaar collectief en beginnen zich op dezelfde manier te gedragen."

Op deze manier, de onderzoekers verstrengelen de atomen op kwantumbasis, en gebruik dan een andere laser, vergelijkbaar met bestaande atoomklokken, om hun gemiddelde frequentie te meten. Toen het team een ​​soortgelijk experiment uitvoerde zonder atomen te verstrengelen, ze ontdekten dat de atoomklok met verstrengelde atomen vier keer sneller een gewenste precisie bereikte.

"Je kunt de klok altijd nauwkeuriger maken door langer te meten, " zegt Vuletic. "De vraag is, hoe lang heb je nodig om een ​​bepaalde precisie te bereiken. Veel fenomenen moeten op snelle tijdschalen worden gemeten."

Hij zegt dat als de ultramoderne atoomklokken van vandaag kunnen worden aangepast om kwantumverstrengelde atomen te meten, ze zouden niet alleen een betere tijd bijhouden, maar ze kunnen helpen bij het ontcijferen van signalen in het heelal, zoals donkere materie en zwaartekrachtsgolven, en beginnen met het beantwoorden van een aantal eeuwenoude vragen.

"Naarmate het universum ouder wordt, verandert de snelheid van het licht? Verandert de lading van het elektron?', zegt Vuletic. 'Dat kun je met nauwkeurigere atoomklokken onderzoeken.'