|
Часы могут измерять квантовые явления и темную материю
|
|
|
|
Практика поддержания времени зависит от стабильных колебаний. В напольных часах длина секунды обозначается одним колебанием маятника. В цифровых часах вибрации кристалла кварца отмечают гораздо меньшие доли времени. А в атомных часах, самых современных в мире хронометристах, колебания лазерного луча заставляют атомы вибрировать со скоростью 9,2 миллиарда раз в секунду. Эти самые маленькие и наиболее стабильные отрезки времени определяют время для сегодняшней спутниковой связи, систем GPS и финансовых рынков. Стабильность часов зависит от шума в окружающей среде. Небольшой ветер может привести к рассинхронизации колебаний маятника. А тепло может нарушить колебания атомов в атомных часах. Устранение таких воздействий окружающей среды может повысить точность часов. Но только на столько. Новое исследование Массачусетского технологического института показывает, что даже если весь шум внешнего мира будет устранен, стабильность часов, лазерных лучей и других генераторов все равно будет уязвима для квантово-механических эффектов. Точность осцилляторов в конечном итоге будет ограничена квантовым шумом.
|
|
|
|
Но теоретически есть способ преодолеть этот квантовый предел. В своем исследовании ученые также показывают, что, манипулируя или «сжимая» состояния, которые способствуют квантовому шуму, стабильность генератора можно улучшить, даже превысив его квантовый предел. «Мы показали, что на самом деле существует предел стабильности таких генераторов, как лазеры и часы, который определяется не только окружающей средой, но и тем фактом, что квантовая механика заставляет их немного трястись», — говорит Вивишек. Судхир, доцент кафедры машиностроения Массачусетского технологического института. «Затем мы показали, что есть способы обойти эту квантово-механическую тряску. Но нужно быть более умным, чем просто изолировать вещь от окружающей среды. Вам придется играть с самими квантовыми состояниями». Команда работает над экспериментальной проверкой своей теории. Если они смогут продемонстрировать, что могут манипулировать квантовыми состояниями в колебательной системе, исследователи предполагают, что часы, лазеры и другие генераторы можно будет настроить с суперквантовой точностью. Эти системы затем можно было бы использовать для отслеживания бесконечно малых различий во времени, таких как колебания одного кубита в квантовом компьютере или присутствие частицы темной материи, порхающей между детекторами.
|
|
|
«Мы планируем продемонстрировать несколько экземпляров лазеров с квантово-улучшенной способностью измерения времени в течение следующих нескольких лет», — говорит Хадсон Лафлин, аспирант факультета физики Массачусетского технологического института. «Мы надеемся, что наши недавние теоретические разработки и предстоящие эксперименты улучшат нашу фундаментальную способность точно определять время и позволят использовать новые революционные технологии». Лафлин и Судхир подробно описывают свою работу в статье с открытым доступом, опубликованной в журнале Nature Communications. Изучая стабильность осцилляторов, исследователи в первую очередь обратились к лазеру — оптическому генератору, который производит волнообразный луч высокосинхронизированных фотонов. Изобретение лазера во многом приписывают физикам Артуру Шавлоу и Чарльзу Таунсу, которые придумали название от его описательной аббревиатуры: усиление света за счет вынужденного излучения. В основе конструкции лазера лежит «лазерная среда» — совокупность атомов, обычно заключенных в стекло или кристаллы. В самых ранних лазерах лампа-вспышка, окружающая лазерную среду, стимулировала электроны в атомах повышать энергию. Когда электроны возвращаются к более низкой энергии, они испускают некоторое излучение в виде фотона.
|
|
|
|
Два зеркала, расположенные на обоих концах лазерной среды, отражают испущенный фотон обратно в атомы, стимулируя большее количество электронов и производя больше фотонов. Одно зеркало вместе с лазерной средой действует как «усилитель», увеличивая производство фотонов, в то время как второе зеркало является частично пропускающим и действует как «соединитель», выделяя некоторые фотоны в виде концентрированного луча лазерного света. С момента изобретения лазера Шавлов и Таунс выдвинули гипотезу о том, что стабильность лазера должна быть ограничена квантовым шумом. Другие с тех пор проверили свою гипотезу, моделируя микроскопические особенности лазера. С помощью очень конкретных расчетов они показали, что действительно незаметные квантовые взаимодействия между фотонами и атомами лазера могут ограничивать стабильность его колебаний. «Но эта работа была связана с чрезвычайно подробными и тонкими расчетами, так что предел был понятен, но только для определенного типа лазера», — отмечает Судхир. «Мы хотели чрезвычайно упростить это, понять лазеры и широкий спектр генераторов». Вместо того, чтобы сосредоточиться на физических тонкостях лазера, команда попыталась упростить проблему.
|
|
|
|
«Когда инженер-электрик думает о создании генератора, он берет усилитель и подает выходной сигнал усилителя на его собственный вход», — объясняет Судхир. «Это похоже на змею, пожирающую собственный хвост. Это чрезвычайно освобождающий образ мышления. Вам не нужно знать все тонкости лазера. Вместо этого у вас есть абстрактная картина не только лазера, но и всех осцилляторов." В своем исследовании команда разработала упрощенное представление лазерного генератора. Их модель состоит из усилителя (например, атомов лазера), линии задержки (например, времени, необходимого свету для прохождения между зеркалами лазера) и соединителя (например, частично отражающего зеркала). Затем команда записала физические уравнения, описывающие поведение системы, и провела расчеты, чтобы увидеть, где в системе может возникнуть квантовый шум. «Абстрагируя эту проблему к простому генератору, мы можем точно определить, где в систему приходят квантовые флуктуации, а они появляются в двух местах: в усилителе и в соединителе, который позволяет нам получать сигнал от генератора», — говорит Лафлин. «Если мы знаем эти две вещи, мы знаем, каков квантовый предел стабильности этого осциллятора».
|
|
|
|
Судхир говорит, что ученые могут использовать уравнения, которые они составили в своем исследовании, для расчета квантового предела в своих собственных генераторах. Более того, команда показала, что этот квантовый предел можно преодолеть, если «сжать» квантовый шум в одном из двух источников. Квантовое сжатие — это идея минимизации квантовых флуктуаций в одном аспекте системы за счет пропорционального увеличения флуктуаций в другом аспекте. Эффект аналогичен выдавливанию воздуха из одной части воздушного шара в другую. В случае с лазером команда обнаружила, что если квантовые флуктуации в соединителе сжать, это может улучшить точность или время колебаний в исходящем лазерном луче, даже несмотря на то, что в результате увеличится шум в мощности лазера. «Когда вы находите какой-то квантовомеханический предел, всегда возникает вопрос, насколько податливым является этот предел?» Судхир говорит. «Действительно ли это жесткая остановка, или все же есть какой-то сок, который можно извлечь, манипулируя квантовой механикой? В этом случае мы обнаруживаем, что да, и это результат, применимый к огромному классу осцилляторов».
|
|
|
|
Источник
|
