Квантовый скачок во времени: как запутанность помогла создать самые точные часы в истории

Квантовая запутанность помогла создать оптические часы с рекордной точностью 10⁻¹⁸. Это открытие позволит проверять фундаментальные законы физики и создавать технологии будущего.

Представьте себе часы, которые за всю историю Вселенной не убежали бы вперед и не отстали бы даже на секунду. Такие устройства уже существуют, и они называются оптическими решёточными часами.

Но ученые нашли способ сделать их еще точнее, использовав одно из самых загадочных явлений квантового мира — запутанность.

Исследователям из JILA (Объединенный институт лабораторной астрофизики) и Колорадского университета в Боулдере удалось создать часы с беспрецедентной точностью, которые открывают новые горизонты для проверки фундаментальных законов физики и создания технологий будущего.

Что такое оптические часы и в чем их предел?

В отличие от привычных нам кварцевых или атомных часов, оптические решёточные часы измеряют время не по колебаниям маятника или атомов цезия, а по частоте света, которую поглощают или излучают ультрахолодные атомы, «пойманные» в ловушку из лазерного света — оптическую решётку.

Эта частота невероятно высока и стабильна, что и позволяет достигать феноменальной точности.

Однако долгое время развитие этих часов упиралось в фундаментальный барьер, известный как стандартный квантовый предел (SQL). Он возникает из-за присущей квантовым частицам «неопределенности».

Когда ученые измеряют состояние отдельных, некоррелированных атомов, результат каждого измерения содержит крошечную случайную ошибку — квантовый шум. Усреднение показаний тысяч атомов помогает, но не отменяет само ограничение. Это как пытаться измерить средний рост людей в толпе с помощью неточной линейки: даже усреднив много измерений, вы не получите идеально точного значения.

Квантовая магия на службе у метрологии

Чтобы преодолеть этот предел, команда под руководством доктора Яна Яна и Майи Миклош использовала квантовую запутанность. Это явление, которое Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии», связывает частицы так, что они ведут себя как единое целое. Измерение состояния одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, где бы та ни находилась.

Ученые создали часы на основе 30 000 атомов стронция, заключенных в двумерную оптическую решётку.

Ключевым нововведением стало то, что они «сжали» спины двух групп этих атомов, запутав их между собой с помощью общего светового поля в оптическом резонаторе.

«Представьте себе толпу людей, где каждый шумит независимо от других — это некоррелированные атомы и стандартный квантовый предел, — проводит аналогию доктор Янг. — А теперь представьте, что мы смогли “договориться” с этими людьми, чтобы их шум стал согласованным и его можно было легко отделить от полезного сигнала. Запутанность позволяет нам сделать нечто подобное с атомами: она “сжимает” квантовый шум в одном параметре, что позволяет с невероятной точностью измерить другой».

Рекордная точность и взгляд в будущее

Сравнив свои запутанные часы с традиционными оптическими часами на стронции, исследователи с воодушевлением обнаружили, что их конструкция преодолела стандартный квантовый предел. Точность часов достигла невероятного значения 1.1 × 10⁻¹⁸ в долях частоты. На практике это означает, что часы будут ошибаться на одну секунду за время, во много раз превышающее возраст Вселенной.

Но на этом ученые останавливаться не планируют. «Мы не только показали рекордную точность, но и доказали, что хрупкую квантовую запутанность можно использовать в практической метрологии», — отмечает Майя Миклош.

Следующие шаги команды — тщательная проверка своих часов на наличие систематических погрешностей и использование их для фундаментальных экспериментов. Один из самых интригующих планов — запутать двое таких часов, расположенных на разной высоте, и измерить с их помощью гравитационное замедление времени с квантовой точностью.

Это позволило бы проверить, как гравитация влияет на запутанные квантовые системы — область, где общая теория относительности Эйнштейна встречается с квантовой механикой.

В долгосрочной перспективе такие сверхточные часы могут стать основой для квантовых часовых сетей. Подобные сети способны революционизировать геофизику (например, отслеживая движение тектонических плит с миллиметровой точностью), астрономию (улучшив поиск гравитационных волн) и технологии навигации (сделав GPS точнее в тысячи раз).

Работа исследователей из JILA — это не просто установление нового рекорда. Это демонстрация того, как квантовые технологии переходят из области фундаментальной науки в мир практических приложений, обещая перевернуть наши представления о времени, пространстве и фундаментальных законах мироздания.

Создано: 28.11.2025 07:43:17