นักฟิสิกส์ค้นพบวิธีใหม่ในการวัดเวลา

การกำหนดเวลาที่ผ่านไปในโลกของเราที่มีนาฬิกาเดินและลูกตุ้มสั่นเป็นกรณีง่ายๆ ในการนับวินาทีระหว่าง 'จากนั้น' และ 'ตอนนี้'

เมื่อถึงระดับควอนตัมของอิเล็กตรอนที่ส่งเสียงพึมพำ เราไม่สามารถคาดเดา 'เช่นนั้น' ได้เสมอไป ที่แย่กว่านั้นคือ 'ตอนนี้' มักจะพร่ามัวจนกลายเป็นหมอกควันแห่งความคลุมเครือ นาฬิกาจับเวลาใช้งานไม่ได้ในบางสถานการณ์

จากการศึกษาในปี 2022 โดยนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอุปซอลาในสวีเดน วิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สามารถพบได้ในรูปของหมอกควอนตัมนั่นเอง

การทดลองของพวกเขาเกี่ยวกับธรรมชาติคล้ายคลื่นของสิ่งที่เรียกว่าสภาวะริดเบิร์ก เผยให้เห็นวิธีการใหม่ในการวัดเวลาที่ไม่จำเป็นต้องมีจุดเริ่มต้นที่แม่นยำ

อะตอมของริดเบิร์กคือลูกโป่งที่พองเกินของอาณาจักรอนุภาค อะตอมเหล่านี้พองตัวด้วยเลเซอร์แทนอากาศ ประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่มีสถานะพลังงานสูงมาก ซึ่งโคจรอยู่ไกลจากนิวเคลียส

แน่นอนว่า ไม่ใช่ว่าทุกปั๊มของเลเซอร์จะต้องทำให้อะตอมพองตัวจนได้สัดส่วนแบบการ์ตูน ในความเป็นจริงแล้ว เลเซอร์ถูกใช้เป็นประจำเพื่อจี้อิเล็กตรอนให้อยู่ในสถานะพลังงานที่สูงขึ้นเพื่อการใช้งานที่หลากหลาย

ในการใช้งานบางประเภท สามารถใช้เลเซอร์ตัวที่สองเพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของอิเล็กตรอน รวมถึงเวลาที่ผ่านไปด้วย เหล่านี้ 'ปั๊มโพรบ' เทคนิคต่างๆ สามารถใช้เพื่อวัดความเร็วของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เร็วมากบางชนิดได้ เป็นต้น

การชักนำอะตอมเข้าสู่สถานะของ Rydberg คือไม่น้อยเลยเมื่อพูดถึงการออกแบบสำหรับ- ไม่จำเป็นต้องพูดว่า นักฟิสิกส์ได้รวบรวมข้อมูลจำนวนมากเกี่ยวกับวิธีที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่เมื่อดันเข้าสู่สถานะริดเบิร์ก

เนื่องจากเป็นสัตว์ควอนตัม การเคลื่อนไหวของพวกมันจึงไม่ค่อยเหมือนลูกปัดที่เลื่อนไปมาบนลูกคิดเล็กๆ และเหมือนยามเย็นที่โต๊ะรูเล็ต ซึ่งทุกการม้วนและการกระโดดของลูกบอลจะถูกบีบให้เป็นเกมแห่งโอกาส

หนังสือกฎทางคณิตศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังเกมรูเล็ตอิเล็กตรอน Rydberg อันดุเดือดนี้เรียกว่าแพ็กเก็ตคลื่น Rydberg

เช่นเดียวกับคลื่นจริง การมีแพ็กเก็ตคลื่น Rydberg มากกว่าหนึ่งแพ็กเก็ตที่กระเพื่อมในอวกาศจะทำให้เกิดการรบกวน ส่งผลให้เกิดรูปแบบเฉพาะของระลอกคลื่น

โยนแพ็กเก็ตคลื่นของ Rydberg ลงในบ่อปรมาณูเดียวกันให้เพียงพอ และรูปแบบที่เป็นเอกลักษณ์เหล่านั้นแต่ละรูปแบบจะแสดงเวลาที่แตกต่างกันสำหรับแพ็กเก็ตคลื่นในการพัฒนาตามกันและกัน

มันเป็น 'ลายนิ้วมือ' ของเวลาที่นักฟิสิกส์ที่อยู่เบื้องหลังการทดลองชุดนี้ตั้งใจที่จะทดสอบ โดยแสดงให้เห็นว่ามีความสม่ำเสมอและเชื่อถือได้เพียงพอที่จะทำหน้าที่เป็นรูปแบบหนึ่งของการประทับเวลาควอนตัม

การวิจัยของพวกเขาเกี่ยวข้องกับการวัดผลลัพธ์ของอะตอมฮีเลียมที่ถูกกระตุ้นด้วยเลเซอร์และจับคู่การค้นพบของพวกเขากับการทำนายทางทฤษฎีเพื่อแสดงให้เห็นว่าผลลัพธ์ที่เป็นเอกลักษณ์ของพวกมันจะคงอยู่ในช่วงเวลาหนึ่งได้อย่างไร

“หากคุณใช้ตัวนับ คุณต้องกำหนดศูนย์ คุณจะเริ่มนับเมื่อถึงจุดหนึ่ง” นักฟิสิกส์ Marta Berholts จากมหาวิทยาลัยอุปซอลาในสวีเดน ซึ่งเป็นผู้นำทีมอธิบายนักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ในปี 2565

"ข้อดีของสิ่งนี้ก็คือ คุณไม่จำเป็นต้องเริ่มนาฬิกา คุณแค่ดูโครงสร้างการรบกวนแล้วพูดว่า 'โอเค มันเป็นเวลา 4 นาโนวินาที'"

คู่มือการพัฒนาแพ็กเก็ตคลื่น Rydberg สามารถใช้ร่วมกับรูปแบบอื่นๆ ของสเปกโทรสโกปีแบบ Pump-Probe ที่วัดเหตุการณ์ในระดับเล็กๆ เมื่อบางครั้งมีความชัดเจนน้อยลง หรือไม่สะดวกเกินกว่าจะวัดได้

ที่สำคัญ ไม่มีลายนิ้วมือใดที่ต้องใช้ทั้งในขณะนั้นและขณะนี้เพื่อใช้เป็นจุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของเวลา มันเหมือนกับการวัดการแข่งขันของผู้วิ่งแข่งที่ไม่รู้จักกับผู้เข้าแข่งขันจำนวนหนึ่งที่วิ่งด้วยความเร็วที่กำหนด

ด้วยการมองหาสัญญาณของการรบกวนสถานะของ Rydberg ท่ามกลางตัวอย่างอะตอมของปั๊ม-โพรบ ช่างเทคนิคสามารถสังเกตการประทับเวลาของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นเพียงชั่วครู่เพียง 1.7 ล้านล้านวินาที

การทดลองนาฬิกาควอนตัมในอนาคตอาจแทนที่ฮีเลียมด้วยอะตอมอื่น หรือแม้แต่ใช้พัลส์เลเซอร์ที่มีพลังงานต่างกัน เพื่อขยายขอบเขตการประทับเวลาให้เหมาะสมกับสภาวะต่างๆ ที่กว้างขึ้น

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในการวิจัยทบทวนทางกายภาพ-

บทความนี้ฉบับก่อนหน้าเผยแพร่ในเดือนตุลาคม 2022