Μια νέα επιστημονική πρόοδος από το MIT υπόσχεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο μετράμε τον χρόνο. Οι φυσικοί του φημισμένου αμερικανικού ιδρύματος ανέπτυξαν μια πρωτοποριακή τεχνική που καθιστά τα ατομικά ρολόγια, τα θεμέλια των συστημάτων GPS, των τηλεπικοινωνιών και των παγκόσμιων χρηματοοικονομικών δικτύων, δύο φορές πιο ακριβή από ό,τι ήταν μέχρι σήμερα.
Η ερευνητική ομάδα, με επικεφαλής τον Vladan Vuletić και πρώτο συγγραφέα τον Leon Zaporski, παρουσίασε τη νέα της μέθοδο με την ονομασία «φασματοσκοπία παγκόσμιας φάσης». Χάρη σε αυτή, οι επιστήμονες κατάφεραν να μειώσουν δραστικά τον λεγόμενο «κβαντικό θόρυβο», το βασικό εμπόδιο που περιορίζει τη σταθερότητα των ατομικών ρολογιών. Το αποτέλεσμα ήταν να διπλασιαστεί η ικανότητα μέτρησης των ατομικών ταλαντώσεων, δηλαδή του ρυθμού με τον οποίο «χτυπά» ο χρόνος σε κβαντικό επίπεδο. Η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature, ανοίγει τον δρόμο για τη δημιουργία πιο συμπαγών, φορητών και εξαιρετικά ακριβών οπτικών ρολογιών, ικανών να λειτουργούν και εκτός εξειδικευμένων εργαστηρίων.
Τα ατομικά ρολόγια λειτουργούν με βάση την απόλυτη κανονικότητα των ταλαντώσεων των ατόμων. Οι παλαιότερες γενιές χρησιμοποιούσαν άτομα καισίου, τα οποία «χτυπούν» πάνω από δέκα δισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο. Ωστόσο, τα πιο σύγχρονα μοντέλα βασίζονται σε άτομα υττέρβιου, που ταλαντώνονται με ασύλληπτη συχνότητα έως και εκατό τρισεκατομμύρια φορές ανά δευτερόλεπτο. Θεωρητικά, αυτό θα έπρεπε να επιτρέπει ακριβέστατη μέτρηση του χρόνου. Στην πράξη όμως, η ακρίβεια αυτή περιορίζεται από τον κβαντικό θόρυβο: μικροσκοπικές τυχαίες διακυμάνσεις που «θολώνουν» τη φυσική συχνότητα των ατόμων.
Η ομάδα του MIT ανακάλυψε ότι ένα φαινόμενο που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αμελητέο στα laser, η λεγόμενη «παγκόσμια φάση» (global phase), μπορεί να αξιοποιηθεί ώστε να ενισχύσει τη σταθερότητα του συστήματος. Η νέα τεχνική χρησιμοποιεί την «κβαντική διεμπλοκή» (entanglement), μια ιδιότητα της κβαντικής φυσικής κατά την οποία εκατοντάδες άτομα αλληλοσυνδέονται με τρόπο που η κατάσταση του ενός επηρεάζει άμεσα τα υπόλοιπα.
Στην πράξη, οι ερευνητές παγίδευσαν εκατοντάδες άτομα υττέρβιου μέσα σε μια οπτική κοιλότητα και τα συνέδεσαν κβαντικά. Με αυτόν τον τρόπο, μπόρεσαν να μετρήσουν διαφορές στη συχνότητα των ατομικών ταλαντώσεων δύο φορές μικρότερες από το όριο που επιβάλλει ο κβαντικός θόρυβος. Το αποτέλεσμα είναι ένα ρολόι με διπλάσια ακρίβεια σε σχέση με τα σημερινά κορυφαία πρότυπα.
Η ομάδα του Vuletić εργάζεται εδώ και χρόνια στο όριο ανάμεσα στην κβαντική οπτική και τη μετρολογία του χρόνου. Το 2020 είχε ήδη αποδείξει ότι η διεμπλοκή μπορεί να «μοιράζει» τον θόρυβο ανάμεσα σε πολλά άτομα, αυξάνοντας την ακρίβεια του συνολικού σήματος. Το 2022 παρουσίασε μια ακόμη καινοτομία, γνωστή ως «αντιστροφή χρόνου», που επέτρεπε την ενίσχυση σημάτων μικροκυματικών ρολογιών, χωρίς όμως να έχει ακόμη εφαρμογή στα οπτικά ρολόγια. Το βασικό εμπόδιο τότε ήταν η σταθερότητα των laser σε τόσο υψηλές συχνότητες.
Με τη νέα μέθοδο της φασματοσκοπία παγκόσμιας φάσης (global phase spectroscopy, οι επιστήμονες κατάφεραν να ξεπεράσουν αυτό το εμπόδιο. Κάθε φορά που μια ακτίνα laser αλληλεπιδρά με μια ομάδα συζευγμένων ατόμων, αφήνει ένα «αποτύπωμα» στη συλλογική τους φάση, μια λεπτή μεταβολή που μέχρι σήμερα αγνοούταν. Αυτή η πληροφορία όμως κρύβει πολύτιμα δεδομένα για τη συχνότητα του laser. Ενισχύοντας αυτό το σήμα, οι ερευνητές απέκτησαν ένα εξαιρετικά ευαίσθητο εργαλείο μέτρησης των μικρότερων δυνατών διακυμάνσεων, βελτιώνοντας θεαματικά τη σταθερότητα του ρολογιού.
Η σημασία της ανακάλυψης ξεπερνά κατά πολύ τα όρια των εργαστηρίων φυσικής. Τα ατομικά ρολόγια αποτελούν τη βάση για πλήθος κρίσιμων εφαρμογών, από τη λειτουργία των δορυφορικών συστημάτων GPS έως τη συγχρονισμένη μετάδοση δεδομένων σε παγκόσμια δίκτυα και τις χρηματοοικονομικές συναλλαγές υψηλής ταχύτητας. Μια αύξηση της ακρίβειας τους σημαίνει καλύτερη πλοήγηση, πιο αξιόπιστες επικοινωνίες και αυξημένη ασφάλεια στα δίκτυα δεδομένων.
[via]
