جهشی کوانتومی در دقت ساعتهای اتمی MIT
پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق شدند با کاهش نویز کوانتومی یا همان محدودیت بنیادی اندازهگیری ناشی از قوانین مکانیک کوانتومی، پایداری و دقت ساعتهای اتمی نوری را بهطور چشمگیری افزایش دهند. این دستاورد میتواند گامی مهم در توسعه نسل جدید ساعتهای اتمی قابلحمل باشد که در آینده برای اندازهگیریهای دقیق در حوزههای مختلف علمی و فناورانه به کار گرفته خواهند شد.
به گزارش phys.org، ساعتهای اتمی ابزارهایی هستند که با اندازهگیری نوسانات طبیعی اتمها زمان را با دقت بسیار بالا تعیین میکنند. امروزه ساعتهای اتمی متداول بر پایه اتم سزیم کار میکنند که بیش از ۱۰ میلیارد بار در ثانیه تیک میزنند و این تیکها با استفاده از لیزرهایی در فرکانسهای مایکروویوی دنبال میشوند.
اما نسل جدید ساعتهای اتمی که در حال توسعه هستند از اتمهایی مانند ایتربیوم بهره میگیرند که با فرکانسهای نوری بسیار بالاتر تا ۱۰۰ تریلیون بار در ثانیه نوسان میکنند. در صورت تثبیت این نوسانات، ساعتهای اتمی نوری میتوانند فواصل زمانی بسیار دقیقتری را اندازهگیری کنند.
تیم فیزیکدانان MIT به سرپرستی ولادان وولتیچ استاد فیزیک این دانشگاه، با بهرهگیری از پدیدهای موسوم به فاز جهانی (global phase) که در اثر تابش لیزر بر اتمهای ایتربیوم پدید میآید، موفق شدند این ساعتها را پایدارتر کنند. آنان با استفاده از یک روش نوآورانه به نام تقویت کوانتومی (quantum amplification) این فاز جهانی را تقویت کردند و توانستند دقت ساعت را دو برابر افزایش دهند. بهعبارتی ساعت جدید قادر است در هر ثانیه دو برابر بیشتر از روشهای پیشین تیکهای زمانی را تفکیک کند.
این پژوهش که با عنوان طیفسنجی فاز جهانی (Global Phase Spectroscopy) در مجله علمی Nature منتشر شده است، نشان میدهد که اثر لیزر بر اتمها که تا پیش از این بیاهمیت تلقی میشد در واقع میتواند برای تثبیت بیشتر خود لیزر و افزایش دقت ساعت به کار رود.
به گفته وولتیچ، در حال حاضر با ساعتهای اتمی میتوان پدیدههایی مانند ماده و انرژی تاریک را شناسایی کرد نیروهای بنیادی طبیعت را آزمود و حتی احتمالاً وقوع زمینلرزهها را پیشبینی نمود. روش ما میتواند این ساعتها را قابلحمل و قابلاستفاده در هر مکان کند.
در این مطالعه پژوهشگران با استفاده از مجموعهای از صدها اتم ایتربیوم که درون یک حفره نوری میان دو آینه منحنی محبوس شده بودند، حالت درهمتنیدگی کوانتومی میان آنها برقرار کردند. در این وضعیت ذرات بهصورت جمعی رفتار میکنند و نویز یا عدم قطعیت موجود در اندازهگیری نوسانات اتمها کاهش مییابد. در نتیجه ساعت قادر است تیکهای اتمی را با وضوح بیشتری ثبت کند.
در تحقیقات پیشین سال ۲۰۲۰، همین گروه نشان داده بود که درهمتنیدگی کوانتومی میتواند دقت ساعتهای اتمی را با کاهش نویز بهبود دهد، اما در آن زمان محدودیتهایی ناشی از ناپایداری لیزر وجود داشت. اکنون آنان با بهرهگیری از روش بازگردانی زمانی (time reversal) و اعمال آن در حوزه نوری موفق شدهاند این مشکل را برطرف کنند.
در فرآیند جدید وقتی نور لیزر از میان اتمهای درهمتنیده عبور میکند، اتمها به سطح انرژی بالاتری میروند و سپس به حالت اولیه بازمیگردند، اما اثری از تغییر فرکانس لیزر را در خود حفظ میکنند؛ اثری که در قالب فاز جهانی ظاهر میشود. این فاز اطلاعات دقیقی از اختلاف میان فرکانس لیزر و فرکانس گذار اتمی در خود دارد. با تقویت این تفاوت از طریق درهمتنیدگی، پژوهشگران موفق شدند میزان تفاوت را از سطح نویز کوانتومی فراتر ببرند و در نتیجه، دقت ساعت را دو برابر افزایش دهند.
به گفته لئون زاپورسکی، نویسنده اصلی مقاله ما توانستیم کوچکترین تفاوتهای فرکانسی را که پیشتر در نویز کوانتومی گم میشدند، اکنون با وضوحی دو برابر تشخیص دهیم. این روش نهتنها دقت ساعت را افزایش میدهد، بلکه اجرای فنی آن را آسانتر کرده و مسیر را برای ساخت ساعتهای اتمی نوری پایدار و قابلحمل هموار میکند.
در کنار زاپورسکی و وولتیچ پژوهشگران دیگری از مرکز مشترک اتمهای فوقسرد MIT هاروارد و آزمایشگاه الکترونیک MIT نیز در این پروژه مشارکت داشتهاند از جمله چی لیو، گوستاوو ولز، متیو رادزیهوفسکی، زییانگ لی، سیمونه کلمبو و ادوین پدروزو-پنیافیل.
این دستاورد نهتنها گامی رو به جلو در فناوری ساعتهای اتمی است، بلکه میتواند زمینهساز پیشرفت در حوزههای فیزیک بنیادی، ناوبری دقیق، ارتباطات و حتی پیشبینی رویدادهای طبیعی باشد.
انتهای پیام/
