Övningen att hålla tid beror på stabila svängningar. I en farfarsklocka markeras längden på en sekund av en enda pendelsvängning. I en digital klocka markerar vibrationerna från en kvartskristall mycket mindre bråkdelar av tiden. Och i atomklockor, världens toppmoderna tidmätare, stimulerar laserstrålens oscillationer atomer att vibrera med 9,2 miljarder gånger per sekund. Dessa minsta, mest stabila tidsindelningar bestämmer tidpunkten för dagens satellitkommunikation, GPS-system och finansmarknader.
En klockas stabilitet beror på ljudet i dess omgivning. En lätt vind kan kasta pendelns sving ur synk. Och värme kan störa atomernas svängningar i en atomur. Att eliminera sådana miljöeffekter kan förbättra en klockas precision. Men bara så mycket.
En ny MIT-studie visar att även om allt brus från omvärlden elimineras, skulle stabiliteten hos klockor, laserstrålar och andra oscillatorer fortfarande vara sårbara för kvantmekaniska effekter. Oscillatorernas precision skulle i slutändan begränsas av kvantbrus.
Men i teorin finns det ett sätt att ta sig förbi denna kvantgräns. I sin studie visar forskarna också att genom att manipulera, eller "klämma", tillstånden som bidrar till kvantbrus, kan stabiliteten hos en oscillator förbättras, även över dess kvantgräns.
"Vad vi har visat är att det faktiskt finns en gräns för hur stabila oscillatorer som lasrar och klockor kan vara, det bestäms inte bara av deras miljö, utan av det faktum att kvantmekaniken tvingar dem att skaka runt lite", säger Vivishek Sudhir, biträdande professor i maskinteknik vid MIT. "Då har vi visat att det finns sätt du till och med kan komma runt denna kvantmekaniska skakning. Men du måste vara smartare än att bara isolera saken från dess omgivning. Du måste leka med själva kvanttillstånden."
Teamet arbetar med ett experimentellt test av sin teori. Om de kan visa att de kan manipulera kvanttillstånden i ett oscillerande system, föreställer sig forskarna att klockor, lasrar och andra oscillatorer kan ställas in till superkvantprecision. Dessa system skulle sedan kunna användas för att spåra oändligt små skillnader i tid, såsom fluktuationerna av en enstaka qubit i en kvantdator eller närvaron av en mörk materia partikel som fladdrar mellan detektorer.
"Vi planerar att demonstrera flera fall av lasrar med kvantförbättrad tidtagningsförmåga under de kommande åren", säger Hudson Loughlin, en doktorand vid MIT:s institution för fysik. "Vi hoppas att vår senaste teoretiska utveckling och kommande experiment kommer att främja vår grundläggande förmåga att hålla tiden korrekt och möjliggöra ny revolutionerande teknologi."
Loughlin och Sudhir beskriver sitt arbete i en öppen artikel publicerad i tidskriften Nature Communications .
När forskarna studerade stabiliteten hos oscillatorer tittade forskarna först på lasern - en optisk oscillator som producerar en vågliknande stråle av mycket synkroniserade fotoner. Uppfinningen av lasern tillskrivs till stor del fysikerna Arthur Schawlow och Charles Townes, som myntade namnet från dess beskrivande akronym:ljusförstärkning genom stimulerad strålningsemission.
En lasers design kretsar kring ett "lasermedium" - en samling atomer, vanligtvis inbäddade i glas eller kristaller. I de tidigaste lasrarna skulle ett blixtrör som omger lasrmediet stimulera elektroner i atomerna att hoppa upp i energi. När elektronerna slappnar av tillbaka till lägre energi, avger de en del strålning i form av en foton.
Två speglar, på vardera änden av lasrmediet, reflekterar den emitterade fotonen tillbaka in i atomerna för att stimulera fler elektroner och producera fler fotoner. En spegel, tillsammans med lasrmediet, fungerar som en "förstärkare" för att öka produktionen av fotoner, medan den andra spegeln är delvis transmissiv och fungerar som en "kopplare" för att extrahera några fotoner som en koncentrerad laserstråle.
Sedan laserns uppfinning har Schawlow och Townes lagt fram en hypotes att en lasers stabilitet bör begränsas av kvantbrus. Andra har sedan dess testat sin hypotes genom att modellera de mikroskopiska egenskaperna hos en laser. Genom mycket specifika beräkningar visade de att omärkliga kvantinteraktioner mellan laserns fotoner och atomer verkligen kunde begränsa stabiliteten i deras svängningar.
"Men detta arbete hade att göra med extremt detaljerade, känsliga beräkningar, så att gränsen förstods, men bara för en specifik typ av laser," noterar Sudhir. "Vi ville förenkla detta enormt, förstå lasrar och ett brett utbud av oscillatorer."
Istället för att fokusera på laserns fysiska krångligheter försökte teamet förenkla problemet.
"När en elektriker funderar på att göra en oscillator, tar de en förstärkare, och de matar ut förstärkaren till dess egen ingång", förklarar Sudhir. "Det är som en orm som äter sin egen svans. Det är ett extremt befriande sätt att tänka. Du behöver inte känna till laserns grymhet. Istället har du en abstrakt bild, inte bara av en laser, utan av alla oscillatorer ."
I sin studie ritade teamet upp en förenklad representation av en laserliknande oscillator. Deras modell består av en förstärkare (som en lasers atomer), en fördröjningslinje (till exempel den tid det tar att färdas mellan en lasers speglar) och en kopplare (som en delvis reflekterande spegel).
Teamet skrev sedan ner fysikens ekvationer som beskriver systemets beteende och utförde beräkningar för att se var i systemet kvantbrus skulle uppstå.
"Genom att abstrahera detta problem till en enkel oscillator kan vi lokalisera var kvantfluktuationer kommer in i systemet, och de kommer in på två ställen:förstärkaren och kopplaren som gör att vi kan få ut en signal från oscillatorn," säger Loughlin. "Om vi vet de två sakerna vet vi vad kvantgränsen för den oscillatorns stabilitet är."
Sudhir säger att forskare kan använda ekvationerna de lägger upp i sin studie för att beräkna kvantgränsen i sina egna oscillatorer.
Dessutom visade teamet att denna kvantgräns skulle kunna övervinnas om kvantbrus i en av de två källorna kunde "pressas". Quantum squeezing är idén att minimera kvantfluktuationer i en aspekt av ett system på bekostnad av proportionellt ökande fluktuationer i en annan aspekt. Effekten liknar att pressa luft från en del av en ballong till en annan.
I fallet med en laser fann teamet att om kvantfluktuationer i kopplaren klämdes kan det förbättra precisionen, eller tidpunkten för svängningar, i den utgående laserstrålen, även om bruset i laserns effekt skulle öka som ett resultat .
"När du hittar någon kvantmekanisk gräns, är det alltid en fråga om hur formbar är den gränsen?" säger Sudhir. "Är det verkligen ett svårt stopp, eller finns det fortfarande lite juice du kan extrahera genom att manipulera lite kvantmekanik? I det här fallet finner vi att det finns, vilket är ett resultat som är tillämpligt på en enorm klass av oscillatorer."
Mer information: Hudson A. Loughlin et al, Quantum noise and its evasion in feedback oscillators, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42739-9
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
