Kvantvibrationerna i atomer innehåller en miniatyrvärld av information. Om forskare exakt kan mäta dessa atomsvängningar, och hur de utvecklas över tiden, kan de finslipa precisionen hos atomklockor såväl som kvantsensorer, som är system av atomer vars fluktuationer kan indikera närvaron av mörk materia, en passerande gravitationsvåg, eller till och med nya, oväntade fenomen.

Ett stort hinder på vägen mot bättre kvantmätningar är buller från den klassiska världen, som lätt kan överväldiga subtila atomvibrationer, vilket gör ändringar i dessa vibrationer djävulskt svåra att upptäcka.

Nu har MIT-fysiker visat att de avsevärt kan förstärka kvantförändringar i atomvibrationer genom att försätta partiklarna genom två nyckelprocesser:kvantintrassling och tidsomkastning.

Innan du börjar shoppa för DeLoreans, nej, de har inte hittat ett sätt att vända tiden själv. Snarare har fysikerna manipulerat kvantiskt intrasslade atomer på ett sätt så att partiklarna betedde sig som om de utvecklades bakåt i tiden. När forskarna effektivt spolade tillbaka bandet av atomsvängningar, förstärktes alla förändringar av dessa svängningar, på ett sätt som lätt kunde mätas.

I en tidning som visas idag i Nature Physics , demonstrerar teamet att tekniken, som de kallade SATIN (för signalförstärkning genom tidsreversering), är den mest känsliga metoden för att mäta kvantfluktuationer som har utvecklats hittills.

Tekniken kan förbättra noggrannheten hos nuvarande toppmoderna atomklockor med en faktor 15, vilket gör deras timing så exakt att över hela universums ålder skulle klockorna vara mindre än 20 millisekunder borta. Metoden kan också användas för att ytterligare fokusera kvantsensorer som är designade för att detektera gravitationsvågor, mörk materia och andra fysiska fenomen.

"Vi tror att detta är framtidens paradigm", säger huvudförfattaren Vladan Vuletic, Lester Wolfe professor i fysik vid MIT. "Alla kvantinterferenser som fungerar med många atomer kan dra nytta av denna teknik."

Studiens MIT-medförfattare inkluderar första författaren Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez och Chi Shu.

Intrasslade tidtagare

En given typ av atom vibrerar med en speciell och konstant frekvens som, om den mäts rätt, kan fungera som en mycket exakt pendel, som håller tiden i mycket kortare intervall än en köksklockas sekund. Men i skalan av en enskild atom tar kvantmekanikens lagar över, och atomens svängning förändras som ansiktet på ett mynt varje gång det vänds. Endast genom att ta många mätningar av en atom kan forskare få en uppskattning av dess faktiska svängning – en begränsning som kallas Standard Quantum Limit.

I toppmoderna atomklockor mäter fysiker svängningen av tusentals ultrakalla atomer, många gånger om, för att öka deras chans att få en exakt mätning. Ändå har dessa system en viss osäkerhet, och deras tidtagning kan vara mer exakt.

År 2020 visade Vuletics grupp att precisionen hos nuvarande atomklockor kunde förbättras genom att trassla in atomerna – ett kvantfenomen genom vilket partiklar tvingas att bete sig i ett kollektivt, starkt korrelerat tillstånd. I detta intrasslade tillstånd bör svängningarna hos enskilda atomer skifta mot en gemensam frekvens som skulle ta mycket färre försök att mäta exakt.

"Vid den tiden var vi fortfarande begränsade av hur väl vi kunde läsa ut klockfasen", säger Vuletic.

Det vill säga, verktygen som användes för att mäta atomsvängningar var inte tillräckligt känsliga för att avläsa eller mäta någon subtil förändring i atomernas kollektiva svängningar.

Vänd på tecknet

I sin nya studie, istället för att försöka förbättra upplösningen av befintliga avläsningsverktyg, försökte teamet förstärka signalen från alla förändringar i svängningar, så att de kunde läsas av nuvarande verktyg. De gjorde det genom att utnyttja ett annat märkligt fenomen inom kvantmekaniken:tidsomkastning.

Man tror att ett rent kvantsystem, såsom en grupp av atomer som är helt isolerad från vardagligt klassiskt brus, bör utvecklas framåt i tiden på ett förutsägbart sätt, och atomernas interaktioner (som deras svängningar) bör beskrivas exakt av systemets "Hamiltonian" - i huvudsak en matematisk beskrivning av systemets totala energi.

På 1980-talet förutspådde teoretiker att om ett systems Hamiltonian var omvänd, och samma kvantsystem fick utvecklas, skulle det vara som om systemet gick tillbaka i tiden.

"Inom kvantmekaniken, om du kan Hamiltonian, kan du spåra vad systemet gör genom tiden, som en kvantbana," förklarar Pedrozo-Peñafiel. "Om den här utvecklingen är helt kvant, säger kvantmekaniken dig att du kan de-evolvera, eller gå tillbaka och gå till initialtillståndet."

"Och tanken är att om du kunde vända Hamiltonianens tecken, skulle varje liten störning som inträffade efter att systemet utvecklats framåt förstärkas om du går tillbaka i tiden," tillägger Colombo.

För sin nya studie studerade teamet 400 ultrakalla atomer av ytterbium, en av två atomtyper som används i dagens atomur. De kylde atomerna till bara ett hårstrå över absolut noll, vid temperaturer där de flesta klassiska effekter som värme försvinner och atomernas beteende styrs enbart av kvanteffekter.

Teamet använde ett system av lasrar för att fånga atomerna och skickade sedan in ett blåfärgat "trasslande" ljus, vilket tvingade atomerna att svänga i ett korrelerat tillstånd. De lät de intrasslade atomerna utvecklas framåt i tiden, och exponerade dem sedan för ett litet magnetfält, vilket introducerade en liten kvantförändring, något som förändrade atomernas kollektiva svängningar.

En sådan förändring skulle vara omöjlig att upptäcka med befintliga mätverktyg. Istället använde teamet tidsreversering för att öka denna kvantsignal. För att göra detta skickade de in en annan, rödfärgad laser som stimulerade atomerna att trassla ur, som om de utvecklades bakåt i tiden.

De mätte sedan partiklarnas svängningar när de satte sig tillbaka i sina otrasslade tillstånd och fann att deras slutfas skilde sig markant från deras initiala fas – tydliga bevis för att en kvantförändring hade inträffat någonstans i deras framåtgående utveckling.

Teamet upprepade detta experiment tusentals gånger, med moln från 50 till 400 atomer, varje gång observerade den förväntade förstärkningen av kvantsignalen. De fann att deras intrasslade system var upp till 15 gånger känsligare än liknande icke intrasslade atomsystem. Om deras system tillämpas på nuvarande toppmoderna atomur, skulle det minska antalet mätningar som dessa klockor kräver, med en faktor på 15.

Framöver hoppas forskarna kunna testa sin metod på atomklockor, såväl som i kvantsensorer, till exempel för mörk materia.

"Ett moln av mörk materia som flyter vid jorden kan förändra tiden lokalt, och vad vissa människor gör är att jämföra klockor, till exempel, i Australien med andra i Europa och USA för att se om de kan upptäcka plötsliga förändringar i hur tiden går", säger Vuletic . "Vår teknik är exakt lämpad för det, eftersom man måste mäta snabbt föränderliga tidsvariationer när molnet flyger förbi." + Utforska vidare

Ny typ av atomur kan hjälpa forskare att upptäcka mörk materia och studera gravitationens effekt på tid