De praktijk van het bijhouden van de tijd hangt af van stabiele oscillaties. Bij een staande klok wordt de lengte van een seconde aangegeven door een enkele zwaai van de slinger. In een digitaal horloge markeren de trillingen van een kwartskristal veel kleinere fracties van de tijd. En in atoomklokken, de modernste tijdwaarnemers ter wereld, stimuleren de oscillaties van een laserstraal atomen om 9,2 miljard keer per seconde te trillen. Deze kleinste, meest stabiele tijdsverdelingen bepalen de timing voor de huidige satellietcommunicatie, GPS-systemen en financiële markten.

De stabiliteit van een klok hangt af van het geluid in zijn omgeving. Een lichte wind kan de slingerbeweging van een slinger uit de pas laten lopen. En hitte kan de oscillaties van atomen in een atoomklok verstoren. Het elimineren van dergelijke milieueffecten kan de nauwkeurigheid van een klok verbeteren. Maar slechts in beperkte mate.

Uit een nieuw MIT-onderzoek blijkt dat zelfs als alle ruis van de buitenwereld wordt geëlimineerd, de stabiliteit van klokken, laserstralen en andere oscillatoren nog steeds kwetsbaar zou zijn voor kwantummechanische effecten. De precisie van oscillatoren zou uiteindelijk worden beperkt door kwantumruis.

Maar in theorie is er een manier om deze kwantumlimiet te overschrijden. In hun onderzoek laten de onderzoekers ook zien dat door het manipuleren of ‘knijpen’ van de toestanden die bijdragen aan kwantumruis, de stabiliteit van een oscillator kan worden verbeterd, zelfs voorbij zijn kwantumlimiet.

"Wat we hebben laten zien is dat er eigenlijk een limiet is aan hoe stabiel oscillatoren zoals lasers en klokken kunnen zijn, die niet alleen wordt bepaald door hun omgeving, maar door het feit dat de kwantummechanica hen dwingt een beetje te schudden", zegt Vivishek. Sudhir, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het MIT. "Vervolgens hebben we laten zien dat er manieren zijn waarop je dit kwantummechanische schudden zelfs kunt omzeilen. Maar je moet slimmer zijn dan het ding alleen maar isoleren van zijn omgeving. Je moet spelen met de kwantumtoestanden zelf." P>

Het team werkt aan een experimentele test van hun theorie. Als ze kunnen aantonen dat ze de kwantumtoestanden in een oscillerend systeem kunnen manipuleren, voorzien de onderzoekers dat klokken, lasers en andere oscillatoren kunnen worden afgestemd op superkwantumprecisie. Deze systemen kunnen vervolgens worden gebruikt om oneindig kleine verschillen in de tijd te volgen, zoals de fluctuaties van een enkele qubit in een kwantumcomputer of de aanwezigheid van een deeltje van donkere materie dat tussen detectoren fladdert.

"We zijn van plan om de komende jaren verschillende exemplaren van lasers met kwantumverbeterde tijdwaarnemingsmogelijkheden te demonstreren", zegt Hudson Loughlin, een afgestudeerde student aan de afdeling natuurkunde van het MIT. "We hopen dat onze recente theoretische ontwikkelingen en komende experimenten ons fundamentele vermogen om de tijd nauwkeurig bij te houden zullen bevorderen en nieuwe revolutionaire technologieën mogelijk zullen maken."

Loughlin en Sudhir beschrijven hun werk in een open access paper gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Laserprecisie

Bij het bestuderen van de stabiliteit van oscillatoren keken de onderzoekers eerst naar de laser:een optische oscillator die een golfachtige straal van sterk gesynchroniseerde fotonen produceert. De uitvinding van de laser wordt grotendeels toegeschreven aan de natuurkundigen Arthur Schawlow en Charles Townes, die de naam hebben bedacht op basis van het beschrijvende acroniem:lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling.

Het ontwerp van een laser is gebaseerd op een 'lasmedium':een verzameling atomen, meestal ingebed in glas of kristallen. Bij de vroegste lasers zou een flitsbuis rond het lasermedium de elektronen in de atomen stimuleren om in energie op te springen. Wanneer de elektronen zich weer ontspannen naar een lagere energie, geven ze wat straling af in de vorm van een foton.

Twee spiegels, aan beide uiteinden van het lasermedium, reflecteren het uitgezonden foton terug in de atomen om meer elektronen te stimuleren en meer fotonen te produceren. Eén spiegel fungeert, samen met het lasermedium, als een "versterker" om de productie van fotonen te stimuleren, terwijl de tweede spiegel gedeeltelijk doorlatend is en fungeert als een "koppelaar" om enkele fotonen eruit te halen als een geconcentreerde straal laserlicht.

Sinds de uitvinding van de laser hebben Schawlow en Townes de hypothese naar voren gebracht dat de stabiliteit van een laser beperkt zou moeten worden door kwantumruis. Anderen hebben hun hypothese sindsdien getest door de microscopische kenmerken van een laser te modelleren. Door middel van zeer specifieke berekeningen toonden ze aan dat inderdaad onmerkbare kwantuminteracties tussen de fotonen en atomen van de laser de stabiliteit van hun oscillaties konden beperken.

"Maar dit werk had te maken met uiterst gedetailleerde, delicate berekeningen, zodat de limiet werd begrepen, maar alleen voor een specifiek soort laser", merkt Sudhir op. "We wilden dit enorm vereenvoudigen, lasers en een breed scala aan oscillatoren begrijpen."

De 'squeeze' aanzetten

In plaats van zich te concentreren op de fysieke complexiteit van een laser, probeerde het team het probleem te vereenvoudigen.

"Als een elektrotechnisch ingenieur overweegt een oscillator te maken, neemt hij een versterker en voedt hij de uitgang van de versterker naar zijn eigen ingang", legt Sudhir uit. "Het is alsof een slang zijn eigen staart opeet. Het is een uiterst bevrijdende manier van denken. Je hoeft de details van een laser niet te kennen. In plaats daarvan heb je een abstract beeld, niet alleen van een laser, maar van alle oscillatoren ."

In hun onderzoek heeft het team een ​​vereenvoudigde weergave van een laserachtige oscillator opgesteld. Hun model bestaat uit een versterker (zoals de atomen van een laser), een vertragingslijn (bijvoorbeeld de tijd die licht nodig heeft om tussen de spiegels van een laser te reizen) en een koppelaar (zoals een gedeeltelijk reflecterende spiegel).

Het team schreef vervolgens de natuurkundige vergelijkingen op die het gedrag van het systeem beschrijven, en voerde berekeningen uit om te zien waar in het systeem kwantumruis zou ontstaan.

"Door dit probleem te abstraheren tot een eenvoudige oscillator, kunnen we vaststellen waar kwantumfluctuaties het systeem binnenkomen, en die komen op twee plaatsen binnen:de versterker en de koppelaar waarmee we een signaal uit de oscillator kunnen halen", zegt Loughlin. "Als we die twee dingen weten, weten we wat de kwantumlimiet voor de stabiliteit van die oscillator is."

Sudhir zegt dat wetenschappers de vergelijkingen die ze in hun onderzoek hebben opgesteld, kunnen gebruiken om de kwantumlimiet in hun eigen oscillatoren te berekenen.

Bovendien liet het team zien dat deze kwantumlimiet zou kunnen worden overwonnen als de kwantumruis in een van de twee bronnen zou kunnen worden 'geperst'. Kwantumknijpen is het idee om kwantumfluctuaties in één aspect van een systeem te minimaliseren ten koste van proportioneel toenemende fluctuaties in een ander aspect. Het effect is vergelijkbaar met het samenpersen van lucht van het ene deel van een ballon naar het andere.

In het geval van een laser ontdekte het team dat als kwantumfluctuaties in de koppeling zouden worden samengedrukt, dit de nauwkeurigheid of de timing van oscillaties in de uitgaande laserstraal zou kunnen verbeteren, zelfs als de ruis in het laservermogen daardoor zou toenemen. .

"Als je een kwantummechanische limiet vindt, is er altijd de vraag hoe kneedbaar die limiet is?" zegt Sudhir. "Is het echt een harde stop, of kun je er nog wat sap uit halen door bepaalde kwantummechanica te manipuleren? In dit geval ontdekken we dat dat zo is, en dat is een resultaat dat van toepassing is op een enorme klasse van oscillatoren." P>

Meer informatie: Hudson A. Loughlin et al, Kwantumruis en het ontwijken ervan in feedbackoscillatoren, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42739-9

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.