Kvantumidő mérés Rydberg-atomokkal – új utat találtak a svéd kutatók
Amikor a másodpercek már nem elegendőek
A mindennapokban az idő méréséhez elég megszámolnunk a másodperceket: a ketyegő órák és az ingaórák világában egyértelmű a különbség „akkor” és „most” között. A kvantumvilágban azonban más a helyzet. Az elektronok rezgő ködében a „most” gyakran elmosódik, a „akkor” pedig nem mindig jósolható meg előre. Ilyen körülmények között a stopperóra használhatatlan.
A megoldás a kvantumköd alakjában rejlik
A svédországi Uppsala Egyetem kutatói 2022-ben publikált tanulmányukban egy új időmérési módszert mutattak be, amely nem igényel pontos kezdőpontot. Kísérleteik során a Rydberg-állapotok hullámszerű természetét vizsgálták, és kimutatták, hogy ezek az állapotok olyan „idő-ujjlenyomatokat” hordoznak, amelyek önállóan is alkalmasak lehetnek időmérésre.
Mi is az a Rydberg-atom?
A Rydberg-atomok a részecskék világának „felfújt lufijai”. Lézerrel gerjesztve elektronjaik rendkívül magas energiájú állapotba kerülnek, és jóval messzebbre sodródnak az atommag körül, mint normál esetben. A fizikusok már régóta használják a lézereket arra, hogy elektronokat magasabb energiaszintre emeljenek, majd egy második lézer segítségével figyeljék ezeknek a változásait. Ez az úgynevezett pumpa–próba technika alkalmas például ultrasebességű elektronikai folyamatok vizsgálatára.
Elektronok rulettasztalnál
A Rydberg-állapotban mozgó elektronok nem egyszerűen kiszámítható pályákon keringenek. Mozgásuk sokkal inkább hasonlít egy rulettgolyó ugrálására, amelynek minden mozdulatát a véletlen uralja. Ennek a „játéknak” a szabálykönyve a Rydberg-hullámcsomag (wave packet). Amikor több ilyen hullámcsomag találkozik, interferenciát hoznak létre, vagyis különleges mintázatokat. Ezek a mintázatok pedig megbízható módon jelezhetik, mennyi idő telt el.
Az idő kvantum-ujjlenyomatai
A kutatók héliumatomokat vizsgáltak, amelyeket lézerrel gerjesztettek Rydberg-állapotba, majd összevetették az így kapott interferenciaképeket az elméleti számításokkal. Az eredmények azt mutatták, hogy az így létrejövő mintázatok elegendően pontosak ahhoz, hogy kvantumidő-bélyegzőként működjenek.
„Ha számlálót használunk, akkor meg kell határoznunk a nullát. Valahol el kell kezdenünk számolni” – magyarázta Marta Berholts, az Uppsala Egyetem fizikus kutatója. „Ennek a módszernek az az előnye, hogy nem kell elindítani az órát – elég ránézni az interferenciaképre, és máris megmondhatjuk: rendben, négy nanoszekundum telt el.”
Másodperc-töredékek mérésére alkalmas
Az új technika révén a kutatók akár 1,7 billiomod másodperc (femtoszekundumok ezrei) pontossággal is képesek időt mérni. A módszer előnye, hogy nincs szükség kezdő és végpont meghatározására, hanem az atomok közötti kölcsönhatások önállóan adják meg az idő múlásának jeleit.
Lehetséges jövőbeli alkalmazások
A kutatók szerint a hélium mellett más atomokkal és különböző energiájú lézerimpulzusokkal is ki lehet terjeszteni a módszert, így még szélesebb körben használható „idő-ujjlenyomatokat” lehetne létrehozni. Ez a technika a kvantumfizika és a nanomásodperceknél is gyorsabb elektronikai folyamatok kutatásában hozhat áttörést, és új lehetőségeket nyithat a kvantumszámítógépek fejlesztésében.
A kutatás eredményeit a Physical Review Research című folyóiratban publikálták.
