Физики всегда стремятся к наибольшей точности в своих измерениях, иногда работая с невероятно малыми масштабами, намного меньше диаметра субатомных частиц. Они также хотят измерять время с точностью, доходящей до долей секунды за десятки миллиардов лет. Эти поиски ультраточных измерений в физике стали частью активно развивающейся области, называемой квантовой метрологией.
Сейчас команда исследователей из Калифорнийского технологического института (Caltech), возглавляемая профессором физики Мануэлем Эндресом, представила новый прибор, который может обеспечить одни из самых точных измерений времени, когда-либо достигнутых. Об этом было сообщено в журнале Nature. Метод объединяет современные атомные часы с квантовыми компьютерами, что открывает новые горизонты в измерениях.
«Наша цель – достичь предельной точности, разрешённой природой», – говорит Эндрес. «Мы уже продемонстрировали основные элементы, чтобы добиться этого». Главными авторами исследования являются бывший постдокторант Caltech Ран Финкельштейн, ныне работающий в Тель-Авивском университете, и аспиранты Ричард Бинг-Шиун Цай и Сянкай Сун.
Прибор, позволяющий достичь таких точных измерений времени, поможет физикам глубже исследовать законы природы, такие как общая теория относительности Альберта Эйнштейна, и решать самые сложные задачи в физике, например, исследование тёмной материи. Подобные измерения также необходимы для обнаружения гравитационных волн — возмущений в пространстве-времени. Обсерватория гравитационных волн LIGO, управляемая Caltech и MIT, недавно добилась значительных успехов в квантовой метрологии.
Ранее группа Эндреса разработала так называемые «пинцетные часы», представляющие собой массивы нейтральных атомов стронция, каждый из которых управляется лазерами (или пинцетами). Сами по себе эти часы уже обладают высокой точностью в измерении времени. Однако в новом исследовании учёные показали, как можно использовать квантовые вычисления в «пинцетных часах», чтобы сделать их ещё точнее.
«Атомные часы используют квантовую механику для измерения времени, а квантовые компьютеры применяют её для выполнения вычислений», – объясняет Эндрес. «Здесь мы работаем на стыке этих двух технологий».
Одной из основных задач было создание квантовой запутанности между атомами в массиве. Запутанность — это явление на квантовом уровне, когда частицы становятся взаимосвязанными, даже не вступая в прямой контакт. «Можно достичь большей точности, если атомы будут запутаны», – говорит Эндрес. «Но для этого нужна очень специфическая сложная форма запутанности».
Исследование продемонстрировало возможность такой запутанности и в целом показало, что квантовые компьютеры можно интегрировать с квантовыми сенсорами, такими как атомные часы. В будущем учёные надеются ещё больше снизить ошибки в системе и приблизить их часы к теоретическим пределам точности.