(Massimo Ravera/Moment/Getty Images) Nichts hält die Zeit besser als das schlagendes Herz eines Atoms . Aber selbst das klare Ticken eines vibrierenden Kerns wird durch Unsicherheiten begrenzt, die durch die Gesetze der Quantenmechanik auferlegt werden.
Vor einigen Jahren , schlugen Forscher des MIT und der Universität Belgrad in Serbien dieses Quantum vor Verstrickung könnte die Uhren über diese verschwommene Grenze hinaus verschieben.
Jetzt haben wir einen Proof of Concept in Form eines Experiments. Physiker verbanden eine Wolke aus Ytterbium-171-Atomen mit Photonenströmen, die von einem umgebenden Spiegelsaal reflektiert wurden, und maßen den Zeitpunkt ihrer winzigen Bewegungen.
Ihre Ergebnisse zeigen, dass eine solche Verschränkung von Atomen den Zeitmessvorgang von Atomkernuhren beschleunigen und sie präziser als je zuvor machen könnte. Im Prinzip würde eine Uhr, die auf diesem neuen Ansatz basiert, seit Anbeginn der Zeit nur 100 Millisekunden verlieren.
Ähnlich wie bei anderen hochmodernen Uhren, die auf Kernen von Cäsium- und Thoriumatomen basieren, wird die Zeit in diesem Aufbau durch Schwingungen in einem Ytterbiumkern geteilt, nachdem dieser eine bestimmte Lichtenergie absorbiert hat.
Da der Kern von Ytterbium 100.000-mal schneller zum Brummen gebracht werden kann als der Kern eines Cäsiumatoms, ergibt sich ein weitaus präziserer Zeitmessmechanismus.
Aber irgendwann kommt der Punkt, an dem die Quantenphysik besagt, dass es unmöglich ist, genau zu sagen, wo die Schwingungen eines Atoms beginnen und enden. Das Standard-Quantenlimit (SQL) wirkt wie eine Unschärfe auf dem Atompendel; Sie haben vielleicht eine schneller tickende Uhr, aber welchen Nutzen hat sie, wenn Sie sie nicht einmal messen können?
Ohne eine Möglichkeit, dieses Hindernis zu überwinden, spielt es keine Rolle, ob wir einen Satz Atomkerne gegen einen präziseren Typ austauschen – ihre Quantenunordnung setzt der Präzision von Atomuhren eine harte Grenze.
Ein Trick besteht darin, die Frequenzen mehrerer Atome aufzuzeichnen, die gleichzeitig in einem Gitter aus Hunderten winziger Atompendel summen. Aktuelle Atomuhr-Technologien verwenden Laser, die so stabil wie möglich sind und jedes Atom mit einer extrem ähnlichen Lichtfrequenz versorgen. Durch die Kombination ihrer kollektiven Unschärfe gleichen sich individuelle Unsicherheiten aus.
Diese neue Methode geht in diesem Mittelungsprozess noch einen Schritt weiter. Durch die Verbindung von Atomen auf eine Art und Weise, die die Quantenwahrscheinlichkeiten ihrer Spins verschränkt, ist es möglich, die Unsicherheit im System neu zu verteilen und die Präzision in einigen Teilen auf Kosten anderer zu erhöhen.
„Es ist, als ob das Licht als Kommunikationsverbindung zwischen Atomen dient.“ sagt MIT-Physiker Chi Shu.
„Das erste Atom, das dieses Licht sieht, wird das Licht leicht verändern, und dieses Licht verändert auch das zweite Atom und das dritte Atom, und über viele Zyklen hinweg kennen sich die Atome gemeinsam und beginnen, sich ähnlich zu verhalten.“
Egal welche Methode zum Einsatz kommt: Je länger man zuhört, desto präziser wird das Endergebnis. In diesem Fall stellte das Team fest, dass die Verschränkung den Messprozess etwa dreimal schneller machte als bei Uhren, die am SQL-Server agierten.
Das erscheint vielleicht nicht so dramatisch, aber eine Geschwindigkeitssteigerung könnte genau das sein, was wir brauchen, um einige der subtileren Einflüsse des Universums auf die Zeit zu untersuchen.
„Ändert sich die Lichtgeschwindigkeit mit zunehmendem Alter des Universums?“ Ändert sich die Ladung des Elektrons?' sagt leitender Forscher Vladan Vuletic vom MIT.
„Das ist es, was man mit präziseren Atomuhren untersuchen kann.“
Es könnte uns sogar ermöglichen, den Punkt zu finden, an dem Die allgemeine Relativitätstheorie bricht zusammen , was auf eine neue Physik hinweist, die die definierte Krümmung der Raumzeit mit der Unsicherheit der Quantenfelder verbindet. Oder erlauben Sie uns, die Strafe besser zu bemessen zeitverzerrende Eigenschaften der Dunklen Materie .
Da wir am Rande eines neuen Zeitalters in der Physik und Astronomie stehen, werden wir wirklich Zeit auf unserer Seite brauchen.
Diese Forschung wurde veröffentlicht in Natur .