De kwantumtrillingen in atomen bevatten een miniatuurwereld van informatie. Als wetenschappers deze atomaire oscillaties nauwkeurig kunnen meten, en hoe ze in de loop van de tijd evolueren, kunnen ze de precisie van atoomklokken en kwantumsensoren verbeteren, dit zijn systemen van atomen waarvan de fluctuaties kunnen wijzen op de aanwezigheid van donkere materie, een passerende zwaartekrachtgolf, of zelfs nieuwe, onverwachte verschijnselen.

Een belangrijke hindernis op weg naar betere kwantummetingen is ruis uit de klassieke wereld, die subtiele atomaire trillingen gemakkelijk kan overweldigen, waardoor eventuele veranderingen in die trillingen duivels moeilijk te detecteren zijn.

Nu hebben MIT-natuurkundigen aangetoond dat ze kwantumveranderingen in atomaire trillingen aanzienlijk kunnen versterken door de deeltjes door twee belangrijke processen te leiden:kwantumverstrengeling en tijdomkering.

Voordat je begint met winkelen voor DeLoreans, nee, ze hebben geen manier gevonden om de tijd zelf terug te draaien. In plaats daarvan hebben de natuurkundigen kwantumverstrengelde atomen zodanig gemanipuleerd dat de deeltjes zich gedroegen alsof ze achteruit in de tijd evolueerden. Terwijl de onderzoekers de band van atomaire oscillaties effectief terugspoelden, werden eventuele veranderingen in die oscillaties versterkt, op een manier die gemakkelijk kon worden gemeten.

In een artikel dat vandaag verschijnt in Nature Physics , toont het team aan dat de techniek, die ze SATIN noemden (voor signaalversterking door tijdomkering), de meest gevoelige methode is voor het meten van kwantumfluctuaties die tot nu toe zijn ontwikkeld.

De techniek zou de nauwkeurigheid van de huidige ultramoderne atoomklokken met een factor 15 kunnen verbeteren, waardoor hun timing zo nauwkeurig zou zijn dat de klokken over de hele leeftijd van het universum minder dan 20 milliseconden zouden afwijken. De methode kan ook worden gebruikt om kwantumsensoren die zijn ontworpen om zwaartekrachtsgolven, donkere materie en andere fysieke verschijnselen te detecteren, verder scherp te stellen.

"We denken dat dit het paradigma van de toekomst is", zegt hoofdauteur Vladan Vuletic, de Lester Wolfe hoogleraar natuurkunde aan het MIT. "Elke kwantuminterferentie die met veel atomen werkt, kan profiteren van deze techniek."

De MIT-co-auteurs van het onderzoek zijn onder meer eerste auteur Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez en Chi Shu.

Verstrikte tijdwaarnemers

Een bepaald type atoom trilt met een bepaalde en constante frequentie die, indien goed gemeten, kan dienen als een zeer nauwkeurige slinger, waarbij de tijd in veel kortere tussenpozen wordt gehouden dan de seconde van een keukenklok. Maar op de schaal van een enkel atoom nemen de wetten van de kwantummechanica het over, en de oscillatie van het atoom verandert als de voorkant van een muntstuk elke keer dat het wordt omgedraaid. Alleen door veel metingen van een atoom uit te voeren, kunnen wetenschappers een schatting krijgen van de werkelijke oscillatie - een beperking die bekend staat als de standaard kwantumlimiet.

In ultramoderne atoomklokken meten natuurkundigen de oscillatie van duizenden ultrakoude atomen, vele malen, om hun kans op een nauwkeurige meting te vergroten. Toch hebben deze systemen enige onzekerheid, en hun tijdregistratie zou nauwkeuriger kunnen zijn.

In 2020 toonde de groep van Vuletic aan dat de precisie van de huidige atoomklokken kan worden verbeterd door de atomen te verstrengelen - een kwantumfenomeen waardoor deeltjes worden gedwongen zich in een collectieve, sterk gecorreleerde toestand te gedragen. In deze verstrengelde toestand zouden de oscillaties van individuele atomen moeten verschuiven naar een gemeenschappelijke frequentie die veel minder pogingen zou vergen om nauwkeurig te meten.

"Destijds werden we nog beperkt door hoe goed we de klokfase konden uitlezen", zegt Vuletic.

Dat wil zeggen, de instrumenten die werden gebruikt om atomaire oscillaties te meten waren niet gevoelig genoeg om enige subtiele verandering in de collectieve oscillaties van de atomen uit te lezen of te meten.

Keer het bord om

In hun nieuwe studie probeerde het team in plaats van te proberen de resolutie van bestaande uitleestools te verbeteren, het signaal van elke verandering in oscillaties te versterken, zodat ze door de huidige tools konden worden gelezen. Ze deden dit door gebruik te maken van een ander merkwaardig fenomeen in de kwantummechanica:tijdomkering.

Men denkt dat een puur kwantumsysteem, zoals een groep atomen die volledig geïsoleerd is van alledaagse klassieke ruis, op een voorspelbare manier vooruit in de tijd zou moeten evolueren, en de interacties van de atomen (zoals hun oscillaties) moeten nauwkeurig worden beschreven door de "Hamiltonian" van het systeem - in wezen een wiskundige beschrijving van de totale energie van het systeem.

In de jaren tachtig voorspelden theoretici dat als de Hamiltoniaan van een systeem zou worden omgekeerd en hetzelfde kwantumsysteem zou de-evolueren, het zou zijn alsof het systeem terug in de tijd zou gaan.

"In de kwantummechanica kun je, als je de Hamiltoniaan kent, volgen wat het systeem door de tijd doet, zoals een kwantumtraject", legt Pedrozo-Peñafiel uit. "Als deze evolutie volledig kwantum is, vertelt de kwantummechanica je dat je kunt de-evolueren, of terug kunt gaan en naar de begintoestand kunt gaan."

"En het idee is dat als je het teken van de Hamiltoniaan zou kunnen omkeren, elke kleine verstoring die zich voordeed nadat het systeem naar voren was geëvolueerd, zou worden versterkt als je terug in de tijd zou gaan", voegt Colombo toe.

Voor hun nieuwe studie bestudeerde het team 400 ultrakoude atomen van ytterbium, een van de twee atoomtypes die de huidige atoomklokken gebruiken. Ze koelden de atomen af ​​tot net een haar boven het absolute nulpunt, bij temperaturen waarbij de meeste klassieke effecten zoals warmte vervagen en het gedrag van de atomen puur wordt bepaald door kwantumeffecten.

Het team gebruikte een systeem van lasers om de atomen te vangen en stuurde vervolgens een blauw getint "verstrikt" licht, dat de atomen dwong om in een gecorreleerde toestand te oscilleren. Ze lieten de verstrengelde atomen vooruit in de tijd evolueren en stelden ze vervolgens bloot aan een klein magnetisch veld, dat een kleine kwantumverandering introduceerde, waardoor de collectieve oscillaties van de atomen enigszins verschoven.

Een dergelijke verschuiving zou met bestaande meetinstrumenten onmogelijk te detecteren zijn. In plaats daarvan paste het team tijdomkering toe om dit kwantumsignaal te versterken. Om dit te doen, stuurden ze een andere, rood getinte laser die de atomen stimuleerde om te ontwarren, alsof ze achteruit in de tijd evolueerden.

Ze maten vervolgens de oscillaties van de deeltjes terwijl ze terugkwamen in hun niet-verstrengelde toestand, en ontdekten dat hun laatste fase duidelijk verschilde van hun beginfase - duidelijk bewijs dat er ergens in hun voorwaartse evolutie een kwantumverandering had plaatsgevonden.

Het team herhaalde dit experiment duizenden keren, met wolken variërend van 50 tot 400 atomen, waarbij elke keer de verwachte versterking van het kwantumsignaal werd waargenomen. Ze ontdekten dat hun verstrengelde systeem tot 15 keer gevoeliger was dan vergelijkbare niet-verstrengelde atoomsystemen. Als hun systeem wordt toegepast op de huidige state-of-the-art atoomklokken, zou dit het aantal metingen dat deze klokken nodig hebben met een factor 15 verminderen.

In de toekomst hopen de onderzoekers hun methode te testen op atoomklokken, maar ook in kwantumsensoren, bijvoorbeeld voor donkere materie.

"Een wolk van donkere materie die door de aarde drijft, zou de tijd plaatselijk kunnen veranderen, en wat sommige mensen doen, is bijvoorbeeld klokken in Australië vergelijken met andere in Europa en de VS om te zien of ze plotselinge veranderingen kunnen zien in hoe de tijd verstrijkt", zegt Vuletic. . "Onze techniek is daar precies geschikt voor, omdat je snel veranderende tijdvariaties moet meten als de wolk voorbij vliegt." + Verder verkennen

Nieuw type atoomklok kan wetenschappers helpen donkere materie te detecteren en het effect van zwaartekracht op tijd te bestuderen