Dodano: 28 września 2022r.

Przechytrzyć Heisenberga i Pauliego, by dokładniej mierzyć upływ czasu

Czy da się obejść zasadę nieoznaczoności Heisenberga i ominąć zakaz Pauliego, aby jeszcze precyzyjniej mierzyć czas w zegarach optycznych? Z tym zagadnieniem zmierzyła się polsko-litewska grupa fizyków. Pokazują oni, jak wytworzyć w ultrazimnym gazie fermionowym tzw. stany ściśnięte.

Zegarek na rękę

 

Wyniki badań międzynarodowego zespołu z udziałem grupy dr hab. Emilii Witkowskiej (IF PAN, Warszawa) i prof. Gediminasa Juzeliunasa (Vilnius University, Wilno), we współpracy z dr. Marcinem Płodzieniem (ICFO, Barcelona) ukazały się w prestiżowym piśmie “Physical Review Letters” (DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.090403). Badania podsumowuje dr Witkowska z zespołem.

Rozmyta rzeczywistość

W świecie dużych, widzialnych gołym okiem obiektów, przyzwyczailiśmy się do przewidywalności: jeśli znamy położenie danego ciała i jego pęd, dzięki równaniom Newtona, możemy obliczyć jego trajektorię i wskazać dokładnie, gdzie ten obiekt znajdzie się w określonym czasie - takie obiekty nazywamy obiektami klasycznymi. Jeśli jednak badamy obiekty w nanoskali, to ujawnia się ich falowa natura i “klasyczna" przewidywalność się kończy. Wynika to z praw fizyki, a nie z niedokładności naszych narzędzi pomiarowych. Konsekwencją falowej natury cząstek jest m.in. brak możliwości określenia z całą pewnością, jakie jest położenie cząstki, a jedynie można określić prawdopodobieństwo, z jakim cząstka znajduje się w danym punkcie przestrzeni. Prawdopodobieństwo to określone jest przez stan kwantowy, w jakim znajduje się cząstka.

Zasada nieoznaczoności

Następstwem kwantowej natury obiektów jest zasada nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że niemożliwe jest zmierzenie jednocześnie wszystkich własności cząstki kwantowej z dowolną precyzją: na przykład jednocześnie jej położenia i pędu.

Cząstka kwantowa może znajdować się w różnych stanach. W tzw. stanie koherentnym niepewność pomiaru jej położenia i pędu są sobie równe. Gdy cząstka znajduje się w stanie, w którym niepewność jednego pomiaru jest zredukowana kosztem zwiększenia niepewności drugiego, nazywany on jest stanem ściśniętym.

Ogrom współczesnych badań związany jest z zaproponowaniem wykorzystania efektów kwantowych pozwalających na zwiększenie precyzji pomiaru danej wielkości, np. wspomniane ściśnięcie kwantowe.

Tykanie superdokładnych zegarów

Przykładowo, najdokładniejsze obecnie zegary wykorzystują atomy do odmierzania upływu czasu - pomiar jednostki czasu, czyli sekundy, jest oparty na pomiarze różnicy energetycznej pomiędzy dwoma poziomami energetycznymi, czyli tzw. częstości przejścia atomowego. W pomiarach laboratoryjnych schładza się atomy, np. cezu, do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, tzn. rzędu nanokelwinów, a następnie na podstawie pomiaru różnicy liczby atomów w stanie o wyższej i niższej energii, wyznaczana jest częstotliwość przejścia atomowego. Stanowi to podstawę definicji współczesnej jednostki czasu. Innymi słowy, im dokładniej zmierzymy częstotliwość przejścia atomowego, z tym większą precyzją możemy odmierzać upływ czasu. Obecnie zegary atomowe osiągają precyzję około jednej dziesiątej nanosekundy na dzień, co oznacza, że zegar atomowy może spóźniać się o jedną sekundę na 300 milionów lat. Jednak naukowcy wciąż się głowią, jak można jeszcze zwiększyć tak fantastyczną precyzję.

- Można zapytać, czy tak super precyzyjne odmierzanie czasu jest nam potrzebne? Otóż tak, i jedna z najprostszych odpowiedzi związana jest z dokładnością działania systemów GPS, których używamy w naszym codziennym życiu, gdy przemieszczamy się z jednego miejsca do drugiego. Właściwa synchronizacja czasu ma tu fundamentalne znaczenie: gdy zegary na orbicie i na Ziemi nie są zsynchronizowane, system GPS bardzo szybko traci dokładność lokalizacji - mówi dr Płodzień (stypendysta programu NAWA Bekker 2020).

Przykładowo, jeśli zegary są zsynchronizowane na poziomie setnej sekundy, to dokładność położenia wskazywanego przez GPS wynosi około trzy kilometry! - Możemy sobie wyobrazić, jakie to miałoby konsekwencje na dotarcie do celów naszych podróży lokalizowanych z taką dokładnością - mówi dr Płodzień.

- To jednak nie wszystko - dodaje. - Precyzyjne pomiary częstotliwości są bardzo ważne dla rozwoju nauki, np. pozwalają zweryfikować przewidywania Ogólnej Teorii Względności Alberta Einsteina i to, że czas płynie różnie w zależności od natężenia pola grawitacyjnego, co oznacza, że czas biegnie inaczej na Ziemi niż na orbicie satelitarnej, na której znajdują się wspomniane już wcześniej satelity GPS. Synchronizacja zegarów na Ziemi i orbicie musi uwzględniać ten efekt. Superprecyzyjny zegar pozwoliłby również na wykrycie fal grawitacyjnych i detekcję hipotetycznej ciemnej materii, która może wywoływać powolne oscylacje stałych fizycznych - zaznacza.

Aby budować tak superprecyzyjne urządzenia jak zegary optyczne, potrzeba jak najbardziej dokładnych informacji o pojedynczych cząstkach. Aby tę precyzję jednak osiągnąć, potrzeba pomiarów tak precyzyjnych, że wchodzimy w nich w świat kwantów. W budowie coraz lepszych zegarów realnie zaczynają więc już przeszkadzać limity związane z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Stąd tak istotny wydaje się fizykom pomysł na tworzenie tzw. stanów ściśniętych. W uproszczeniu chodzi o takie uwięzienie cząstek - np. w oczkach optycznej "klatki”, aby móc precyzyjnie poznać pewną własność - tzw. częstość przejścia atomowego - kosztem rozmycia innej własności, która nie będzie istotna w docelowym urządzeniu.

Jak skontaktować ze sobą fermiony

Dotychczas wytworzenie stanów ściśniętych w ultrazimnych atomach było możliwe przy użyciu tzw. atomów bozonowych. Takie atomy są w stanie oddziaływać między sobą na skutek zderzeń. Dla bozonów jednak istnieje zależność przesunięcia poziomów energetycznych, której wartość zależy głównie od gęstości atomów, co z kolei powoduje, że dokładność pomiarów częstości przejść atomowych jest znacznie zmniejszona.

Natomiast przesunięcie poziomów energetycznych w atomach fermionowych jest mocno ograniczone, dlatego fermiony doskonale nadają się do precyzyjnych pomiarów częstotliwości. Naukowcom zależało więc na tym, by stany ściśnięte wytworzyć również i w takich gazach atomowych.

Było to jednak wielkim wyzwaniem. Na drodze stał tzw. zakaz Pauliego, który blokuje możliwość wzajemnego oddziaływania atomów fermionowych w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. W konsekwencji braku oddziaływań między atomami nie jest możliwe wygenerowanie ściśnięcia. To ograniczenie udało się jednak obejść.

- Nasz pomysł polega na tym, aby na fermiony spułapkowane w sieci optycznej, w której znajduje się jeden fermion w pojedynczym oczku sieci, poświecić zewnętrznym światłem laserowym o odpowiedniej fazie. Okazuje się, że sprzężenie atomów ze światłem wprowadza potrzebne nam oddziaływanie pomiędzy fermionami i generuje wysoce ściśnięte stany kwantowe - mówi dr hab. Witkowska.

Pomysł ten - jak liczą badacze - będzie można wykorzystać w przyszłości do zwiększenia dokładności pomiaru częstości przejść atomowych w niezwykle stabilnych i superprecyzyjnych zegarach - opartych o atomy fermionowe w sieciach optycznych.

- Zaproponowana przez nas metoda wymaga tylko niewielkiej modyfikacji układów badanych obecnie w laboratoriach, zarówno ultrazimnych fermionów umieszczonych w periodycznej sieci optycznej, jak i tzw. pęset optycznych - kończy prof. Juzeliunas.

Badania polskiego zespołu finansowane są w ramach projektu NCN DAINA oraz NAWA BEKKER 2020.

 

Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl, Ludwika Tomala, fot. Pexels