Undersøgelse finder, at mere stabile ure kunne måle kvantefænomener, herunder tilstedeværelsen af ​​mørkt stof

Praksis med at holde tid afhænger af stabile svingninger. I et bedstefars ur er længden af ​​et sekund markeret med et enkelt sving med pendulet. I et digitalt ur markerer vibrationerne fra en kvartskrystal meget mindre brøkdele af tiden. Og i atomure, verdens avancerede tidsmålere, stimulerer oscillationerne fra en laserstråle atomer til at vibrere med 9,2 milliarder gange i sekundet. Disse mindste, mest stabile tidsinddelinger bestemmer timingen for nutidens satellitkommunikation, GPS-systemer og finansielle markeder.

Et urs stabilitet afhænger af støjen i dets omgivelser. En svag vind kan kaste et penduls sving ud af sync. Og varme kan forstyrre oscillationerne af atomer i et atomur. Eliminering af sådanne miljøpåvirkninger kan forbedre et urs præcision. Men kun så meget.

En ny MIT-undersøgelse viser, at selvom al støj fra omverdenen er elimineret, vil stabiliteten af ​​ure, laserstråler og andre oscillatorer stadig være sårbare over for kvantemekaniske effekter. Præcisionen af ​​oscillatorer ville i sidste ende være begrænset af kvantestøj.

Men i teorien er der en måde at skubbe forbi denne kvantegrænse. I deres undersøgelse viser forskerne også, at ved at manipulere eller "klemme" de tilstande, der bidrager til kvantestøj, kan stabiliteten af ​​en oscillator forbedres, selv forbi dens kvantegrænse.

"Det, vi har vist, er, at der faktisk er en grænse for, hvor stabile oscillatorer som lasere og ure kan være, det er ikke kun bestemt af deres omgivelser, men af ​​det faktum, at kvantemekanikken tvinger dem til at ryste en lille smule rundt," siger Vivishek Sudhir, assisterende professor i maskinteknik ved MIT. "Så har vi vist, at der er måder, hvorpå du endda kan komme uden om denne kvantemekaniske rystelse. Men du skal være mere klog end blot at isolere tingen fra dens omgivelser. Du skal lege med selve kvantetilstandene."

Holdet arbejder på en eksperimentel test af deres teori. Hvis de kan demonstrere, at de kan manipulere kvantetilstandene i et oscillerende system, forestiller forskerne sig, at ure, lasere og andre oscillatorer kunne indstilles til superkvantepræcision. Disse systemer kan derefter bruges til at spore uendeligt små forskelle i tid, såsom udsvingene af en enkelt qubit i en kvantecomputer eller tilstedeværelsen af ​​en mørkt stof-partikel, der svinger mellem detektorer.

"Vi planlægger at demonstrere flere forekomster af lasere med kvanteforbedret tidtagningsevne i løbet af de næste mange år," siger Hudson Loughlin, en kandidatstuderende ved MIT's Institut for Fysik. "Vi håber, at vores seneste teoretiske udvikling og kommende eksperimenter vil fremme vores grundlæggende evne til at holde tiden nøjagtigt og muliggøre nye revolutionerende teknologier."

Loughlin og Sudhir beskriver deres arbejde i en åben-adgangsartikel offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications .

Laserpræcision

Ved at studere stabiliteten af ​​oscillatorer kiggede forskerne først på laseren - en optisk oscillator, der producerer en bølgelignende stråle af højt synkroniserede fotoner. Opfindelsen af ​​laseren tilskrives stort set fysikerne Arthur Schawlow og Charles Townes, som opfandt navnet fra dets beskrivende akronym:lysforstærkning ved stimuleret emission af stråling.

En lasers design er centreret om et "lasende medium" - en samling af atomer, normalt indlejret i glas eller krystaller. I de tidligste lasere ville et flashrør, der omgiver lasermediet, stimulere elektroner i atomerne til at hoppe op i energi. Når elektronerne slapper af tilbage til lavere energi, afgiver de noget stråling i form af en foton.

To spejle, på hver ende af lasermediet, reflekterer den udsendte foton tilbage i atomerne for at stimulere flere elektroner og producere flere fotoner. Det ene spejl fungerer sammen med lasermediet som en "forstærker" til at booste produktionen af ​​fotoner, mens det andet spejl er delvist transmitterende og fungerer som en "kobling" for at trække nogle fotoner ud som en koncentreret laserstråle.

Siden opfindelsen af ​​laseren har Schawlow og Townes fremsat en hypotese om, at en lasers stabilitet skulle være begrænset af kvantestøj. Andre har siden testet deres hypotese ved at modellere de mikroskopiske træk ved en laser. Gennem meget specifikke beregninger viste de, at umærkelige kvanteinteraktioner mellem laserens fotoner og atomer faktisk kunne begrænse stabiliteten af ​​deres oscillationer.

"Men dette arbejde havde at gøre med ekstremt detaljerede, delikate beregninger, sådan at grænsen blev forstået, men kun for en bestemt slags laser," bemærker Sudhir. "Vi ønskede at forenkle dette enormt, for at forstå lasere og en bred vifte af oscillatorer."

Sæt 'squeeze' på

I stedet for at fokusere på laserens fysiske forviklinger søgte holdet at forenkle problemet.

"Når en elektroingeniør tænker på at lave en oscillator, tager de en forstærker, og de fører forstærkerens output ind i dens egen input," forklarer Sudhir. "Det er som en slange, der spiser sin egen hale. Det er en ekstremt befriende måde at tænke på. Du behøver ikke at kende en lasers sarte korn. I stedet har du et abstrakt billede, ikke kun af en laser, men af ​​alle oscillatorer ."

I deres undersøgelse tegnede holdet en forenklet repræsentation af en laserlignende oscillator. Deres model består af en forstærker (såsom en lasers atomer), en forsinkelseslinje (f.eks. den tid det tager lys at bevæge sig mellem en lasers spejle) og en kobler (såsom et delvist reflekterende spejl).

Holdet nedskrev derefter fysikkens ligninger, der beskriver systemets adfærd, og udførte beregninger for at se, hvor i systemet kvantestøj ville opstå.

"Ved at abstrahere dette problem til en simpel oscillator, kan vi lokalisere, hvor kvanteudsving kommer ind i systemet, og de kommer ind to steder:forstærkeren og kobleren, der giver os mulighed for at få et signal ud af oscillatoren," siger Loughlin. "Hvis vi ved de to ting, ved vi, hvad kvantegrænsen for den oscillatorens stabilitet er."

Sudhir siger, at videnskabsmænd kan bruge de ligninger, de opstiller i deres undersøgelse, til at beregne kvantegrænsen i deres egne oscillatorer.

Hvad mere er, holdet viste, at denne kvantegrænse kunne overvindes, hvis kvantestøj i en af ​​de to kilder kunne "klemmes". Kvanteklemning er ideen om at minimere kvanteudsving i et aspekt af et system på bekostning af proportionelt stigende udsving i et andet aspekt. Effekten svarer til at presse luft fra en del af en ballon ind i en anden.

I tilfælde af en laser fandt holdet ud af, at hvis kvanteudsving i kobleren blev presset, kunne det forbedre præcisionen eller timingen af ​​oscillationer i den udgående laserstråle, selvom støj i laserens effekt ville stige som et resultat .

"Når du finder en eller anden kvantemekanisk grænse, er der altid et spørgsmål om, hvor formbar den grænse er?" siger Sudhir. "Er det virkelig et hårdt stop, eller er der stadig noget juice, du kan udvinde ved at manipulere noget kvantemekanik? I dette tilfælde finder vi ud af, at der er, hvilket er et resultat, der er anvendeligt for en enorm klasse af oscillatorer."

Flere oplysninger: Hudson A. Loughlin et al., Quantum noise and its evasion in feedback oscillatorer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42739-9

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Massachusetts Institute of Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.