همشهری آنلاین - یکتا فراهانی: فیزیکدانان کوانتومی نوع جدیدی از ساعت اتمی نوری را توسعه داده‌اند که از درهم‌تنیدگی کوانتومی بین اتم‌های استرانسیوم برای دستیابی به‌دقت بی‌سابقه‌ای استفاده می‌کند.
این پیشرفت می‌تواند به طور قابل‌توجهی بر محاسبات کوانتومی و سنجش دقیق تأثیر بگذارد؛ اگرچه در حال حاضر به طور موثر تنها برای میلی‌ثانیه کار می‌کند.
پیشرفت‌های کوانتومی در زمان‌سنجی
تصور کنید وارد اتاقی می‌شوید که با چندین ساعت قدیمی پدربزرگتان تزئین شده است که هر کدام هم با سرعت منحصربه‌فرد خود تیک‌تاک می‌کنند.
فیزیکدانان کوانتومی در CU Boulder و مؤسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) به طور موثر آن صحنه را در مقیاس اتم‌ها و الکترون‌ها بازسازی کرده‌اند. پیشرفت آنها می‌تواند به توسعه انواع جدیدی از ساعت‌های اتمی نوری منجر شود؛ دستگاه‌هایی که زمان را با ثبت "تیک‌تاک" طبیعی اتم‌ها اندازه‌گیری می‌کنند.
درهم‌تنیدگی کوانتومی
ساعت جدید این گروه از چند ده اتم استرانسیوم ساخته شده است که در یک الگوی شبکه به‌دام‌افتاده‌اند. برای بهبود عملکرد دستگاه، این تیم نوعی تعامل شبح‌وار، معروف به درهم‌تنیدگی کوانتومی، بین گروه‌هایی از آن اتم‌ها ایجاد کرد که به‌طورکلی چهار نوع ساعت مختلف را در یک دستگاه نگهدارنده زمان متوقف کرده‌اند.
افزایش دقت با مکانیک کوانتومی
اما توجه داشته باشید صحبت از ساعت‌جیبی معمولی شما نیست. محققان نشان داده ا ند حداقل در محدوده مشخصی از شرایط، ساعت آنها می‌توانند معیاری را برای دقت به نام «اندازه کوانتومی استاندارد» شکست دهد؛ چیزی که آدام کافمن، فیزیک‌دان از آن به‌عنوان «جام مقدس» یاد می‌کند؛ یعنی ساعت‌های اتمی نوری.
کافمن، نویسنده ارشد مطالعه جدید و یکی از همکاران او در JILA، یک مؤسسه تحقیقاتی مشترک می‌گوید کاری که ما می‌توانیم انجام دهیم آن است که مدت‌زمان مشابه را به واحدهای کوچک‌تر و کوچک‌تری تقسیم کنیم. این شتاب می‌تواند به ما امکان دهد زمان را بادقت بیشتری ردیابی کنیم.
تغییر گرانش زمین با تغییر ارتفاع تغییر
پیشرفت‌های این تیم می‌تواند به فناوری‌های کوانتومی جدید منجر شود. آنها شامل حسگرهایی هستند که می‌توانند تغییرات ظریف در محیط را اندازه‌گیری کنند، مانند اینکه چگونه گرانش زمین با ارتفاع تغییر می‌کند.
کافمن و همکارانش، از جمله نویسنده اول، الک کائو، یافته‌های خود را در نهم اکتبر در مجله Nature منتشر کردند.
بیشتر بخوانید:
- کشف «حالت لبه» پنهانی که می‌تواند به انرژی بی‌نهایت منجر شود
- ایران در مسیر اینترنت کوانتومی | این فناوری «لبه تکنولوژی» محسوب می‌شود
پتانسیل ساعت‌های اتمی نوری
این تحقیق یکی دیگر از پیشرفت‌های بزرگ برای ساعت‌های اتمی نوری است که می‌تواند چیزی بسیار بیشتر از زمان را نشان دهد.
برای ساخت چنین وسیله‌ای، دانشمندان معمولاً با به دام انداختن و سردکردن ابری از اتم‌ها تا دمای سرد شروع می‌کنند. آنها سپس آن اتم‌ها را با یک لیزر قدرتمند زاپ می‌کنند. اگر لیزر درست تنظیم شود، الکترون‌هایی که به‌دور آن اتم‌ها می‌چرخند از سطح انرژی پایین‌تر به سطح انرژی بالاتر می‌رسند و سپس برمی‌گردند. پس می‌توانید آن را مانند آونگ ساعت پدربزرگ در نظر بگیرید که به جلو و عقب می‌چرخد؛ فقط این ساعت‌ها بیش از یک تریلیون بار در ثانیه تیک‌تاک می‌کنند.
مکانیک ساعت‌های کوانتومی
ساعت‌های کوانتومی فوق‌العاده دقیق هستند به‌عنوان‌مثال، جدیدترین ساعت‌های اتمی نوری در JILA، می‌توانند تغییر گرانش را تشخیص دهند.
کافمن می‌گوید: ساعت‌های نوری به یک پلتفرم مهم در بسیاری از زمینه‌های فیزیک کوانتوم تبدیل شده‌اند، زیرا به شما امکان می‌دهند تا اتم‌های منفرد را تا حد بالایی کنترل کنید؛ اینکه در کجای اتم‌ها و در چه حالت‌هایی هستند.
مشکل ساعت‌های کوانتومی
اما ساعت‌های کوانتومی یک اشکال بزرگ دارند. در فیزیک کوانتومی، چیزهایی به کوچکی اتم‌ها هرگز دقیقاً آن طور که انتظار دارید رفتار نمی‌کنند. این عدم قطعیت‌های طبیعی چیزی را که به نظر می‌رسد محدودیتی غیر قابل شکست در میزان دقیق بودن یک ساعت است تعیین می‌کند.
کافمن می‌گوید وقتی دو ذره درهم‌پیچیده می‌شوند، اطلاعات مربوط به یکی از آنها به طور خودکار اطلاعات دیگری را نشان می‌دهد. در عمل، اتم‌های درهم‌تنیده در یک ساعت کمتر شبیه به افراد و بیشتر شبیه یک اتم رفتار می‌کنند که پیش‌بینی رفتار آنها را آسان‌تر می‌کند.
این تیم دریافتند که حداقل تحت شرایط خاص، اتم‌های درهم‌تنیده نسبت به اتم‌های یک ساعت اتمی نوری سنتی، عدم قطعیت بسیار کمتری در تیک‌تاک خود دارند.
دروازه‌های چند کیوبیتی
کافمن و همکارانش هنوز کارهای زیادی برای انجام‌دادن دارند. برای شروع، محققان فقط می‌توانند ساعت خود را به طور موثر برای حدود ۳ میلی‌ثانیه اجرا کنند. طولانی‌تر از آن، و درهم‌تنیدگی بین اتم‌ها شروع به لغزش می‌کند و باعث می‌شود تیک‌تاک اتمی هرج‌ومرج شود.
اما کافمن پتانسیل زیادی برای این دستگاه می‌بیند. به‌عنوان‌مثال، رویکرد تیم او با به درهم‌تنیدگی اتم‌ها می‌تواند مبنایی را برای آنچه فیزیکدانان «دروازه‌های چند کیوبیتی» می‌نامند تشکیل دهد. اما سوال این است که آیا می‌توانیم انواع جدیدی از ساعت‌ها را با طراحی مناسب بسازیم؟