การสั่นสะเทือนของควอนตัมในอะตอมถือเป็นโลกแห่งข้อมูลขนาดเล็ก หากนักวิทยาศาสตร์สามารถวัดความแปรปรวนของอะตอมเหล่านี้ได้อย่างแม่นยำ และวิวัฒนาการของอะตอมอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป พวกเขาสามารถปรับปรุงความแม่นยำของนาฬิกาอะตอมและควอนตัมเซ็นเซอร์ ซึ่งเป็นระบบของอะตอมที่ความผันผวนสามารถบ่งบอกถึงการปรากฏตัวของสสารมืด คลื่นความโน้มถ่วงที่เคลื่อนผ่าน หรือแม้แต่ปรากฏการณ์ใหม่ที่ไม่คาดคิด
อุปสรรคสำคัญในเส้นทางสู่การวัดควอนตัมที่ดีขึ้นคือเสียงจากโลกคลาสสิก ซึ่งสามารถครอบงำการสั่นของอะตอมเล็กน้อยได้อย่างง่ายดาย ทำให้การเปลี่ยนแปลงใดๆ กับการสั่นสะเทือนเหล่านั้นยากต่อการตรวจจับอย่างชั่วร้าย
ตอนนี้ นักฟิสิกส์ของ MIT ได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถขยายการเปลี่ยนแปลงของควอนตัมในการสั่นสะเทือนของอะตอมได้อย่างมาก โดยการวางอนุภาคผ่านกระบวนการสำคัญสองประการ: การพัวพันกับควอนตัมและการย้อนกลับของเวลา
ก่อนที่คุณจะเริ่มซื้อ DeLoreans ไม่ พวกเขาไม่พบวิธีย้อนเวลาด้วยตัวเอง นักฟิสิกส์ได้จัดการกับอะตอมที่พันกันควอนตัมในลักษณะที่อนุภาคมีพฤติกรรมราวกับว่าพวกมันกำลังวิวัฒนาการย้อนเวลากลับไป ในขณะที่นักวิจัยกรอเทปการสั่นของอะตอมอย่างมีประสิทธิภาพ การเปลี่ยนแปลงใดๆ ของการแกว่งเหล่านั้นก็ได้รับการขยายในลักษณะที่สามารถวัดได้ง่าย
ในบทความที่ปรากฏในนิตยสาร Nature Physics วันนี้ ทีมงานได้สาธิตว่าเทคนิคนี้เรียกว่า SATIN (สำหรับการขยายสัญญาณผ่านการย้อนเวลา) เป็นวิธีที่ละเอียดอ่อนที่สุดในการวัดความผันผวนของควอนตัมที่พัฒนาขึ้นมาจนถึงปัจจุบัน
เทคนิคนี้สามารถปรับปรุงความแม่นยำของนาฬิกาปรมาณูล้ำสมัยในปัจจุบันได้ถึง 15 เท่า ทำให้เวลาของนาฬิกาแม่นยำมากจนนาฬิกาจะห่างไปน้อยกว่า 20 มิลลิวินาทีตลอดอายุทั้งหมดของเอกภพ วิธีนี้ยังสามารถใช้เพื่อโฟกัสเซ็นเซอร์ควอนตัมเพิ่มเติมที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง สสารมืด และปรากฏการณ์ทางกายภาพอื่นๆ
“เราคิดว่านี่คือกระบวนทัศน์แห่งอนาคต” วลาดาน วูเลติค หัวหน้าทีมวิจัย ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ของเลสเตอร์ วูล์ฟ จาก MIT กล่าว “การรบกวนควอนตัมใดๆ ที่ทำงานกับอะตอมจำนวนมากสามารถทำกำไรได้จากเทคนิคนี้”
ผู้เขียนร่วมของ MIT ในการศึกษาครั้งนี้ ได้แก่ ผู้เขียนคนแรก Simone Colombo, Edwin Pedrozo-Peñafiel, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez และ Chi Shu
ผู้จับเวลาที่พันกัน
อะตอมประเภทหนึ่งจะสั่นที่ความถี่เฉพาะและคงที่ ซึ่งหากวัดได้อย่างเหมาะสม สามารถใช้เป็นลูกตุ้มที่แม่นยำมาก โดยจะรักษาเวลาในช่วงเวลาที่สั้นกว่าวินาทีของนาฬิกาในครัวมาก แต่ในระดับอะตอมเดี่ยว กฎของกลศาสตร์ควอนตัมจะเข้ามาแทนที่ และการสั่นของอะตอมจะเปลี่ยนเหมือนหน้าเหรียญทุกครั้งที่พลิก นักวิทยาศาสตร์สามารถหาค่าการแกว่งที่แท้จริงของอะตอมได้โดยการวัดค่าหลาย ๆ อะตอม ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่เรียกว่า Standard Quantum Limit
ในนาฬิกาอะตอมที่ล้ำสมัย นักฟิสิกส์วัดการสั่นของอะตอมที่เย็นจัดเป็นพันๆ อะตอม หลายครั้ง เพื่อเพิ่มโอกาสในการได้ค่าที่แม่นยำ ถึงกระนั้น ระบบเหล่านี้ก็ยังมีความไม่แน่นอนอยู่บ้าง และการรักษาเวลาก็อาจแม่นยำยิ่งขึ้น
ในปี 2020 กลุ่มของ Vuletic แสดงให้เห็นว่าความแม่นยำของนาฬิกาอะตอมในปัจจุบันสามารถปรับปรุงได้โดยการเข้าไปพัวพันกับอะตอม ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ควอนตัมที่อนุภาคถูกบังคับให้ทำงานในสถานะที่มีความสัมพันธ์กันสูง ในสภาวะที่พันกันนี้ การสั่นของอะตอมแต่ละอะตอมควรเปลี่ยนไปสู่ความถี่ทั่วไปซึ่งจะใช้เวลาน้อยกว่ามากในการวัดอย่างแม่นยำ
Vuletic กล่าวว่า “ในขณะนั้น เรายังถูกจำกัดด้วยว่าเราจะอ่านเฟสของนาฬิกาได้ดีเพียงใด
กล่าวคือ เครื่องมือที่ใช้ในการวัดการแกว่งของอะตอมนั้นไม่ละเอียดอ่อนพอที่จะอ่านออก หรือวัดการเปลี่ยนแปลงที่ละเอียดอ่อนใดๆ ในการแกว่งรวมของอะตอม
กลับป้าย
ในการศึกษาใหม่ แทนที่จะพยายามปรับปรุงความละเอียดของเครื่องมืออ่านข้อมูลที่มีอยู่ ทีมงานพยายามเพิ่มสัญญาณจากการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในการแกว่ง เพื่อให้เครื่องมือปัจจุบันสามารถอ่านได้ พวกเขาทำเช่นนั้นโดยควบคุมปรากฏการณ์ที่น่าสงสัยอีกอย่างหนึ่งในกลศาสตร์ควอนตัม นั่นคือ การย้อนเวลา
คิดว่าระบบควอนตัมล้วนๆ เช่น กลุ่มอะตอมที่แยกออกจากเสียงคลาสสิกในชีวิตประจำวันโดยสิ้นเชิง ควรพัฒนาไปข้างหน้าในเวลาในลักษณะที่คาดเดาได้ และปฏิกิริยาของอะตอม (เช่น การสั่นของพวกมัน) ควรอธิบายได้อย่างแม่นยำโดย “ฮามิลโทเนียน” ของระบบ — โดยพื้นฐานแล้ว คำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของพลังงานทั้งหมดของระบบ
ในช่วงทศวรรษที่ 1980 นักทฤษฎีคาดการณ์ว่าหากระบบของ Hamiltonian กลับด้าน และระบบควอนตัมเดียวกันถูกสร้างขึ้นเพื่อไม่วิวัฒนาการ มันก็เหมือนกับว่าระบบกำลังย้อนเวลากลับไป
“ในกลศาสตร์ควอนตัม ถ้าคุณรู้จักแฮมิลตันเนียน คุณจะสามารถติดตามว่าระบบกำลังทำอะไรอยู่ในช่วงเวลา เช่น วิถีควอนตัม” Pedrozo-Peñafielอธิบาย “ถ้าวิวัฒนาการนี้เป็นควอนตัมโดยสมบูรณ์ กลศาสตร์ควอนตัมจะบอกคุณว่าคุณสามารถยกเลิกการวิวัฒนาการหรือกลับไปสู่สถานะเริ่มต้นได้”
“และแนวคิดก็คือ ถ้าคุณสามารถย้อนสัญญาณของ Hamiltonian ได้ ทุกการก่อกวนเล็กน้อยที่เกิดขึ้นหลังจากที่ระบบพัฒนาไปข้างหน้าจะถูกขยายหากคุณย้อนเวลากลับไป” Colombo กล่าวเสริม
สำหรับการศึกษาใหม่ ทีมวิจัยได้ศึกษาอะตอมอิตเทอร์เบียม 400 อะตอม ซึ่งเป็นอะตอมหนึ่งในสองประเภทที่ใช้นาฬิกาอะตอมในปัจจุบัน พวกมันทำให้อะตอมเย็นลงเหลือเพียงเส้นผมที่อยู่เหนือศูนย์สัมบูรณ์ ที่อุณหภูมิที่เอฟเฟกต์คลาสสิกส่วนใหญ่ เช่น ความร้อนจางหายไป และพฤติกรรมของอะตอมถูกควบคุมโดยเอฟเฟกต์ควอนตัมอย่างหมดจด
ทีมงานใช้ระบบเลเซอร์เพื่อดักจับอะตอม จากนั้นจึงส่งแสง “พัวพัน” ที่เป็นสีน้ำเงิน ซึ่งบีบให้อะตอมสั่นในสถานะที่สัมพันธ์กัน พวกมันปล่อยให้อะตอมที่พัวพันวิวัฒนาการไปข้างหน้าตามเวลา จากนั้นจึงสัมผัสกับสนามแม่เหล็กขนาดเล็ก ซึ่งทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของควอนตัมเล็กน้อย ขยับการสั่นโดยรวมของอะตอมเล็กน้อย
การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยเครื่องมือวัดที่มีอยู่ ทีมงานใช้เวลาในการกลับรายการเพื่อเพิ่มสัญญาณควอนตัมนี้ ในการทำเช่นนี้ พวกเขาส่งเลเซอร์สีแดงอีกตัวหนึ่งซึ่งกระตุ้นอะตอมให้คลายตัว ราวกับว่าพวกมันกำลังวิวัฒนาการย้อนเวลากลับไป
จากนั้นพวกเขาวัดการสั่นของอนุภาคขณะที่พวกมันกลับคืนสู่สภาพที่ไม่พันกัน และพบว่าระยะสุดท้ายของพวกมันแตกต่างอย่างเห็นได้ชัดจากระยะเริ่มต้น ซึ่งเป็นหลักฐานที่ชัดเจนว่าการเปลี่ยนแปลงควอนตัมเกิดขึ้นที่ใดที่หนึ่งในการวิวัฒนาการไปข้างหน้า
ทีมงานทำการทดลองซ้ำหลายพันครั้ง โดยมีเมฆตั้งแต่ 50 ถึง 400 อะตอม ทุกครั้งที่สังเกตการขยายสัญญาณควอนตัมที่คาดไว้ พวกเขาพบว่าระบบที่พันกันนั้นไวกว่าระบบอะตอมที่ไม่พันกันถึง 15 เท่า หากระบบของพวกเขาถูกนำไปใช้กับนาฬิกาอะตอมที่ล้ำสมัยในปัจจุบัน มันจะลดจำนวนการวัดที่นาฬิกาเหล่านี้ต้องการลง 15 เท่า
ในอนาคต นักวิจัยหวังว่าจะทดสอบวิธีการของพวกเขาเกี่ยวกับนาฬิกาอะตอม เช่นเดียวกับเซ็นเซอร์ควอนตัม เช่น สสารมืด
“เมฆสสารมืดที่ลอยอยู่รอบโลกสามารถเปลี่ยนเวลาในท้องถิ่นได้ และสิ่งที่บางคนทำคือเปรียบเทียบนาฬิกาในออสเตรเลียกับประเทศอื่นๆ ในยุโรปและสหรัฐอเมริกา เพื่อดูว่าพวกเขาสามารถสังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของเวลาที่ผ่านไปได้หรือไม่” Vuletic กล่าว . “เทคนิคของเราเหมาะสมอย่างยิ่งกับสิ่งนั้น เพราะคุณต้องวัดการเปลี่ยนแปลงของเวลาที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเมื่อเมฆเคลื่อนผ่าน”
งานวิจัยนี้ส่วนหนึ่งได้รับการสนับสนุนโดยมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติและสำนักงานวิจัยกองทัพเรือ
