Atomklockor är de mest exakta tidtagarna i världen. Dessa utsökta instrument använder lasrar för att mäta atomers vibrationer, som svänger med en konstant frekvens, som många mikroskopiska pendlar som svänger i synk. De bästa atomklockorna i världen håller tiden med sådan precision att om de hade varit igång sedan universums början, de skulle bara vara av med ungefär en halv sekund idag.

Fortfarande, de skulle kunna vara ännu mer exakta. Om atomklockor mer exakt kunde mäta atomvibrationer, de skulle vara tillräckligt känsliga för att upptäcka fenomen som mörk materia och gravitationsvågor. Med bättre atomur, forskare kan också börja svara på några sinnesböjande frågor, som vilken effekt gravitationen kan ha på tidens gång och om tiden själv förändras när universum åldras.

Nu kan en ny typ av atomur designad av MIT-fysiker göra det möjligt för forskare att utforska sådana frågor och möjligen avslöja ny fysik.

Forskarna rapporterar i tidskriften Natur att de har byggt en atomklocka som inte mäter ett moln av slumpmässigt oscillerande atomer, som toppmodern design mäter nu, utan istället atomer som kvanttrasslats in. Atomerna är korrelerade på ett sätt som är omöjligt enligt den klassiska fysikens lagar, och det gör att forskarna kan mäta atomernas vibrationer mer exakt.

Den nya uppställningen kan uppnå samma precision fyra gånger snabbare än klockor utan intrassling.

"Förträngningsförbättrade optiska atomklockor kommer att ha potential att nå en bättre precision på en sekund än nuvarande toppmoderna optiska klockor, " säger huvudförfattaren Edwin Pedrozo-Peñafiel, en postdoc i MIT:s forskningslaboratorium för elektronik.

Om toppmoderna atomklockor anpassades för att mäta intrasslade atomer som MIT-teamets inställningar gör, deras timing skulle förbättras så att, över hela universums ålder, klockorna skulle vara mindre än 100 millisekunder av.

Tidningens andra medförfattare från MIT är Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, och Vladan Vuletic, Lester Wolfe professor i fysik.

Tidsgräns

Sedan människor började spåra tidens gång, de har gjort det med hjälp av periodiska fenomen, som solens rörelse över himlen. I dag, vibrationer i atomer är de mest stabila periodiska händelser som forskare kan observera. Vidare, en cesiumatom kommer att pendla med exakt samma frekvens som en annan cesiumatom.

För att hålla perfekt tid, klockor skulle helst spåra svängningarna av en enda atom. Men i den skalan, en atom är så liten att den beter sig enligt kvantmekanikens mystiska regler:När den mäts, det beter sig som ett vänt mynt som endast när det beräknas i medeltal över många vändningar ger rätt sannolikheter. Denna begränsning är vad fysiker kallar Standard Quantum Limit.

"När du ökar antalet atomer, medelvärdet som ges av alla dessa atomer går mot något som ger rätt värde, säger Colombo.

Det är därför dagens atomklockor är designade för att mäta en gas som består av tusentals av samma typ av atom, för att få en uppskattning av deras genomsnittliga svängningar. En typisk atomklocka gör detta genom att först använda ett system av lasrar för att hålla in en gas av ultrakylda atomer i en fälla som bildas av en laser. En sekund, mycket stabil laser, med en frekvens nära den för atomernas vibrationer, skickas för att undersöka atomoscillationen och därigenom hålla reda på tiden.

Och ändå, Standard Quantum Limit fungerar fortfarande, vilket betyder att det fortfarande finns viss osäkerhet, även bland tusentals atomer, om deras exakta individuella frekvenser. Det är här Vuletic och hans grupp har visat att quantum intrassling kan hjälpa. I allmänhet, kvantentanglement beskriver ett icke-klassiskt fysiskt tillstånd, där atomer i en grupp visar korrelerade mätresultat, även om varje enskild atom beter sig som ett slumpmässigt myntkast.

Teamet resonerade att om atomer trasslar in sig, deras individuella svängningar skulle dra ihop sig kring en gemensam frekvens, med mindre avvikelse än om de inte var intrasslade. De genomsnittliga svängningar som en atomklocka skulle mäta, därför, skulle ha en precision bortom standardkvantgränsen.

Intrasslade klockor

I deras nya atomur, Vuletic och hans kollegor trasslar in omkring 350 atomer ytterbium, som oscillerar vid samma mycket höga frekvens som synligt ljus, vilket betyder att en atom vibrerar 100, 000 gånger oftare på en sekund än cesium. Om ytterbiums svängningar kan spåras exakt, forskare kan använda atomerna för att skilja allt mindre tidsintervaller.

Gruppen använde standardtekniker för att kyla atomerna och fånga dem i en optisk hålighet som bildas av två speglar. De skickade sedan en laser genom det optiska hålrummet, där det pingisade mellan speglarna, interagerar med atomerna tusentals gånger.

"Det är som att ljuset fungerar som en kommunikationslänk mellan atomer, "Shu förklarar." Den första atomen som ser detta ljus kommer att modifiera ljuset något, och det ljuset modifierar också den andra atomen, och den tredje atomen, och genom många cykler, atomerna känner varandra kollektivt och börjar bete sig likadant."

På det här sättet, forskarna trasslar in atomerna kvantum, och använd sedan en annan laser, liknande befintliga atomur, för att mäta deras genomsnittliga frekvens. När laget körde ett liknande experiment utan att trassla ihop atomer, de fann att atomklockan med intrasslade atomer nådde en önskad precision fyra gånger snabbare.

"Du kan alltid göra klockan mer exakt genom att mäta längre, " säger Vuletic. "Frågan är, hur lång tid behöver du för att nå en viss precision. Många fenomen måste mätas på snabba tidsskalor."

Han säger att om dagens toppmoderna atomklockor kan anpassas för att mäta kvanttrasslade atomer, de skulle inte bara hålla bättre tid, men de kunde hjälpa till att dechiffrera signaler i universum som mörk materia och gravitationsvågor, och börja svara på några urgamla frågor.

"När universum åldras, ändras ljusets hastighet? Förändras elektronens laddning?", säger Vuletic. "Det är vad du kan undersöka med mer exakta atomklockor."