När du hanterar saker i kvantskalan, där saker är väldigt små, världen är ganska suddig och bisarr i jämförelse med våra vardagliga upplevelser.

Till exempel, vi kan vanligtvis inte gå genom fasta väggar. Men i kvantskalan, när en partikel stöter på en till synes oöverstiglig barriär, det kan ibland passera till andra sidan - en process som kallas kvanttunnel.

Men hur snabbt en partikel kunde tunnla genom en barriär var alltid ett pussel.

I arbete som publicerades idag i Nature har vi löst en del av problemet.

Varför är det viktigt? Det är ett genombrott som kan påverka framtida teknik vi ser i våra hem, på jobbet eller någon annanstans.

Många av dagens teknik - som halvledare, LED -skärmen på din smartphone, eller lasrar - baseras på vår förståelse för hur saker fungerar i kvantvärlden.

Så ju mer vi kan lära oss, desto mer kan vi utveckla.

Tillbaka till tunneln

För kvantpartiklar, som elektroner, när vi säger att de kan tunnel genom barriärer, vi hänvisar inte till fysiska hinder, men energibarriärer.

Tunnel är möjlig på grund av elektronens vågkaraktär. Kvantmekaniken tilldelar varje partikel vågnatur, och därför finns det alltid en begränsad sannolikhet för vågen att sprida sig genom barriärer, precis som ljudet rör sig genom väggar.

Det kan låta kontraintuitivt, men detta är vad som utnyttjas inom teknik som att skanna tunnelmikroskop, som gör det möjligt för forskare att skapa bilder med atomupplösning. Detta observeras också naturligt vid kärnfusion, och i biologiska processer som fotosyntes.

Även om fenomenet kvanttunnel är välstuderat och utnyttjat, fysiker saknade fortfarande en fullständig förståelse för det, särskilt när det gäller dess dynamik.

Om vi ​​skulle kunna utnyttja tunneldynamiken - till exempel använd den för att bära mer information - det kan möjligen ge oss ett nytt grepp om framtida kvantteknik.

Ett tunnelhastighetstest

Det första steget mot detta mål är att mäta hastigheten på tunnelprocessen. Detta är ingen enkel bedrift, eftersom tidsskalorna för mätningen är extremt små.

För energibarriärer, storleken på några miljarddels meter, som i vårt experiment, vissa fysiker hade beräknat att tunnlingsprocessen skulle ta cirka hundra attosekunder (1 attosekund är en miljarddel av en miljarddel av en sekund).

För att sätta saker i perspektiv, om en attosekund sträcks till en sekund, då är en sekund lika med universums ålder.

De uppskattade tiderna är så extremt små att de tidigare behandlades som praktiskt taget omedelbara. Därför behövde vi för vårt experiment en klocka som kan timma dessa händelser med enorm noggrannhet och precision.

De tekniska framstegen inom ultrasnabba lasersystem gjorde det möjligt för oss att implementera en sådan klocka vid Australian Attosecond Science Facility, Center for Quantum Dynamics, vid Griffith University.

Klockan i experimentet är inte mekanisk eller elektrisk - det är snarare den roterande elektriska fältvektorn för en ultrasnabb laserpuls.

Ljus är bara elektromagnetisk strålning gjord av elektriska och magnetiska fält som varierar snabbt. Vi använde detta snabbt föränderliga fält för att framkalla tunnlar i atomväte och även som ett stoppur för att mäta när det slutar.

Hur snabbt?

Valet av att använda atomväte (som helt enkelt är ett bundet par av en elektron och en proton) undviker komplikationer som uppstår från andra atomer, gör det lättare att jämföra och tolka resultaten entydigt.

Tunneltiden vi mätte befanns vara högst 1,8 attosekunder, mycket mindre än vissa teorier hade förutsagt. Denna mätning kräver en seriös omprövning av vår förståelse av tunneldynamik.

Olika teorier uppskattade en rad tunneltider - från noll till hundratals attosekunder - och det fanns ingen konsensus bland fysiker om vilken enda teoretisk uppskattning som var korrekt.

En grundläggande orsak till oenigheterna ligger i själva begreppet tid inom kvantmekanik. På grund av kvantosäkerheter, det kan inte finnas någon absolut säkerhet vid den tidpunkt då en partikel kommer in i eller kommer ut från barriären.

Men experiment som vårt, med exakta mätningar på enkla system, kan vägleda oss i att förfina vår förståelse av sådana tider

Nästa teknik

Kvantsprång i den tekniska världen är ofta förankrat i jakten på grundläggande vetenskap.

Framtida kvantteknik som innehåller många av kvantfunktionerna - som superposition och intrassling - kommer att leda till vad teknologer kallar den "andra kvantrevolutionen".

Genom att fullt ut förstå kvantdynamiken för den enklaste möjliga atomtunnelhändelsen - med en enda proton och en enda elektron - har vi visat att vissa typer av teorier kan lita på för att ge rätt svar, där andra typer av teorier misslyckas.

Detta ger oss förtroende för vilka teorier som ska tillämpas på andra, mer komplicerade system.

Mätningar i attosekundskala lägger inte bara till en extra dimension för den framtida kvanttekniken utan kan också i grunden hjälpa till att förstå kvantrummets elefant:vad är tid ?

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.