تکنولوژی

ساعت اتمی چیست؟چگونه کار میکند؟

 

با اندازه‌گیری دقیق ارتعاشات کوانتومی در اتم‌ها و تکامل آن‌ها در طول زمان، محققان می‌توانند دقت حسگرهای کوانتومی را برای به دست آوردن دنیای کوچکی از اطلاعات که در سناریوهای عادی قابل دسترسی نیست، اصلاح کنند.

بررسی فناوری MIT ایتالیا

یکی از موانع اصلی در مسیر اندازه‌گیری‌های کوانتومی دقیق، نویز پس‌زمینه است که می‌تواند به راحتی بر ارتعاشات ظریف اتمی غلبه کند و نظارت بر آنها را به طرز شیطانی دشوار کند. اکنون، فیزیکدانان MIT نشان داده اند که می توانند تغییرات کوانتومی در ارتعاشات اتمی را با قرار دادن ذرات در دو فرآیند کلیدی تقویت کنند: درهم تنیدگی کوانتومی و وارونگی زمانی.

بدیهی است که هیچ راهی برای معکوس کردن زمان کشف نشده است، اما فیزیکدانان اتم های همبسته کوانتومی را دستکاری کرده اند. باعث می شود ذرات طوری رفتار کنند که انگار در زمان به عقب در حال تکامل هستند. از آنجایی که محققین در واقع نوار نوسانات اتمی را برگرداندند، هرگونه تغییر در این نوسانات تقویت شد و امکان اندازه گیری آنها را فراهم کرد.

در مقاله ای در “Nature Physics”، تیم گروه فیزیک MIT نشان می دهد که تکنولوژی، با نام اختصاری SATIN (تقویت سیگنال از طریق برگشت زمان، تقویت سیگنال از طریق وارونگی زمانی)، حساس ترین روش تا به امروز برای اندازه گیری نوسانات کوانتومی است. این فناوری می‌تواند دقت ساعت‌های اتمی پیشرفته امروزی را تا ضریب 15 افزایش دهد و زمان‌های آن‌ها را آنقدر دقیق کند که حاشیه خطای آن‌ها در سن کمتر از 20 میلی‌ثانیه باشد.این روش همچنین می تواند برای بهبود حسگرهای کوانتومی طراحی شده برای تشخیص امواج گرانشی، ماده تاریک و سایر پدیده های فیزیکی مورد استفاده قرار گیرد.

ثابت شده است که نوع معینی از اتم در یک فرکانس خاص و ثابت ارتعاش می‌کند که اگر به درستی اندازه‌گیری شود، می‌تواند به عنوان یک آونگ بسیار دقیق عمل کند و زمان را در فواصل بسیار کوتاه‌تر از ثانیه‌های ساعت آشپزخانه اندازه‌گیری کند.اما در مقیاس یک اتم، قوانین مکانیک کوانتومی حاکم می‌شوند و هر بار که پرتاب می‌شود، تکان اتم مانند روی یک سکه تغییر می‌کند.. دانشمندان تنها با اندازه گیری های فراوان یک اتم می توانند تخمینی از نوسان واقعی آن به دست آورند. محدودیتی که به عنوان حد کوانتومی استاندارد شناخته می شود.

در سال 2020، تیم فیزیک اتمی تجربی Vatlan Vuletic نشان داد که دقت ساعت‌های اتمی فعلی را می‌توان با درهم‌تنیدگی اتم‌ها بهبود بخشید، پدیده‌ای کوانتومی به نام درهم‌تنیدگی که در آن ذرات مجبور می‌شوند در یک حالت جمعی بسیار همبسته رفتار کنند.در این حالت در هم تنیده، نوسانات اتم های منفرد باید به یک فرکانس مشترک تغییر کند که به تلاش های بسیار کمتری برای اندازه گیری دقیق نیاز دارد. اما پس از آن ابزارهای مورد استفاده برای اندازه گیری نوسانات اتمی به اندازه کافی حساس نبودند تا تغییرات ظریف در نوسانات جمعی اتم ها را بخوانند.

در مطالعه جدید، تیم به دنبال تقویت سیگنال نوسانات بود تا بتوانند آن را با ابزارهای فعلی اندازه گیری کنند. آنها این کار را با بهره برداری از پدیده عجیب دیگری در مکانیک کوانتومی انجام دادند: وارونگی زمان. طبق سیستم همیلتونی، گروهی از اتم‌ها که کاملاً از نویز پس‌زمینه روزمره جدا شده‌اند، باید در طول زمان به روشی قابل پیش‌بینی تکامل یابند و برهم‌کنش‌های اتم‌ها (مانند نوسانات آنها) باید در توصیف ریاضی انرژی کل سیستم قرار بگیرند.

در دهه 1980، نظریه پردازان پیش بینی کردند که اگر خود سیستم کوانتومی تکامل نیافته باشد، مانند یک گام به عقب در زمان است. “در مکانیک کوانتومی، پیروی از نظریه همیلتونی، می‌توان کارهایی را که سیستم در طول زمان انجام می‌دهد، مانند یک مسیر کوانتومی، پیگیری کرد.پدرزو-پنافیل توضیح می دهد. “اگر این تکامل کاملاً کوانتومی باشد، مکانیک کوانتومی به شما اجازه می‌دهد که تکامل نیافته یا به حالت اولیه برگردید.

این تیم برای مطالعه جدید خود، 400 اتم فوق سرد ایتربیوم، یکی از دو نوع اتمی که امروزه در ساعت های اتمی استفاده می شود، مورد مطالعه قرار دادند. آنها اتم ها را تا بالای صفر مطلق سرد کردند، تا دمایی که بیشتر اثرات کلاسیک مانند گرما از بین می رود و رفتار اتم ها صرفاً توسط اثرات کوانتومی کنترل می شود. این تیم از سیستم‌های لیزری برای به دام انداختن اتم‌ها استفاده کردند، سپس یک نور آبی «درهم» فرستادند که اتم‌ها را مجبور به نوسان در یک حالت مرتبط کرد. آنها به اتم های درهم تنیده اجازه دادند تا در زمان به سمت جلو تکامل یابند، سپس آنها را در معرض یک میدان مغناطیسی کوچک قرار دادند، که یک جابجایی کوانتومی کوچک ایجاد کرد، و کمی نوسانات جمعی اتم ها را تغییر داد.

تشخیص چنین تغییری با ابزارهای اندازه گیری موجود غیرممکن خواهد بود. در عوض، تیم وارونگی زمان را برای تقویت این سیگنال کوانتومی اعمال کرد.برای انجام این کار، آنها لیزر قرمز رنگ دیگری را فرستادند که اتم ها را تحریک می کرد تا خودشان را بیرون بیاورند، انگار که در زمان تکامل یافته بودند. آنها سپس نوسانات ذرات را در حین بازگشت به حالت های گسسته خود اندازه گرفتند و آنها دریافتند که مرحله نهایی آنها به طور محسوسی با مرحله اولیه آنها متفاوت است – شواهد واضحی مبنی بر اینکه یک جابجایی کوانتومی در جایی در تکامل آنها رخ داده است.

این تیم هزاران بار این آزمایش را تکرار کرد و متوجه شد که سیستم درهم تنیده تا 15 برابر حساس تر از سیستم های اتمی غیر درهم تنیده است. در آینده، محققان امیدوارند این روش را روی حسگرهای کوانتومی آزمایش کنند تا تغییرات در نحوه جریان زمان در حضور ماده تاریک را اندازه‌گیری کنند.

عکاسی: Pixabay، Kellepics

 

کپی با ذکر منبع : فراز اندیشه

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

دکمه بازگشت به بالا