چگونه ساعت‌های اتمی دقیق‌تری بسیازیم؟

مجید جویا: شاید بتوان با یک حقه کوانتومی، ساعت‌های اتمی دقیق‌تری را در آینده تولید کرد. پژوهشگران نشان داده‌اند که درهم‌تنیدگی کوانتومی می‌تواند دقت تکنیک اندازه‌گیری زمان توسط ساعت‌های اتمی را بالاتر ببرد.

به گزارش نیچر، «تیک»های ساعت‌های اتمی استاندارد کنونی توسط لرزش معمول دسته‌ای از اتم‌های سزیوم تولید می‌شوند، که 9.2 میلیارد بار در هر ثانیه می‌لرزند. با این حال، نویز ذاتی این سیستم‌ها به این معنی است که یک «حد کلاسیک» بنیادین برای دقت اندازه‌گیری این لرزش‌ها توسط ساعت وجود دارد. اکنون، دو گروه که یکی به رهبری مارکوس اوبرتالر از دانشگاه هایدلبرگ آلمان، و دیگری به رهبری فیلیپ تروتلین از دانشگاه لودویگ ماکسیمیلیانس در مونیخ کار می‌کنند، نشان داده‌اند که این حد کلاسیک را می‌توان با استفاده از یک حقه کوانتومی بالاتر برد.

هر دو گروه از اتم‌های روبیدیوم بسیار سرد استفاده کردند تا یک فاز کوانتومی از ماده را که به نام چگالش بوز- اینشتین (یا BEC) نامیده می‌شود، شکل دهد. در این حالت، همه اتم‌ها رفتار یکسانی دارند و ویژگی‌هایی مانند ابررسانایی در آنها به راحتی مشاهده می‌شود.

بر طبق مکانیک کوانتوم، اتم‌ها می‌توانند یک حالت سوپرپوزیشن داشته باشند، به عبارت دیگر، در آن واحد چندین حالت داشته باشند؛ اما اتم‌ها تنها هنگامی در یک حالت ماندگار می‌شوند که حالت آنها اندازه‌گیری شده باشد. در این حالت، هر دو گروه هر اتم را در یک سوپرپوزیشن از دو حالت متفاوت انرژی قرار دادند.

اوبرتالر می‌گوید برای درک این که چگونه نویز می‌تواند حد کلاسیک را بالا ببرد، شما باید به طور مداوم BEC را بعد از این که اتم‌ها وارد حالت سوپرپوزیشن شدند، اندازه‌گیری کنید. هر بار، شما تقریبا 50 درصد اتم‌ها را در هر یک از دو حالت می‌یابید، ولی این نسبت ثابت نمی‌ماند و حول این میانگین نوسان می‌کند؛ مثلا یک‌بار 49 به 51 است و بار دیگر، 45 به 55. همین نوسان حول میانگین است که به مثابه «نویز» عمل می‌کند، و از دقت اندازه‌گیری شما می‌کاهد.

قید و بند
هدف هر دو گروه، کاهش این نویز با کنترل دقیق برخورد بین اتم‌ها در BEC بود. برای انجام این کار، آنها فعل و انفعال بین اتم‌ها را در حالت‌های متفاوت انرژی متوقف کردند. به گفته تروتلین، «تنها فعل و انفعال بین اتم‌های با سطح انرژی یکسان باقی می‌ماند، و به این ترتیب این اتم‌ها درهم‌تنیده می‌شوند و نوسان بین سطوح انرژی میرا می‌شود».

گروه تروتلین، اتم‌های BEC را روی یک «تراشه اتمی» قرار دادند و از سیم‌های طلایی و محفظه آنها یک ساعت اتمی اولیه تولید کردند. در شرایط عادی، تمام اتم‌ها می‌توانند با هم برخورد داشته باشند. با این وجود، گروه از یک پالس ربزموج استفاده کرد تا فاصله دو سطح انرژی را از هم بیشتر کند تا تنها اتم‌های با سطح انرژی یکسان بتوانند با هم برخورد کنند. تروتلین می‌گوید: «هدف این بود که اتم‌ها طوری تنظیم شوند که تنها بتوانند اتم‌های با سطح انرژی مشابه خود را ببینند».

بعد از درگیر کردن اتم‌ها، گروه سطح انرژی آنها را اندازه گرفتند و دریافتند که نویز 2.5 دسی‌بل یا 44 درصد بود، که کمتر از حد کلاسیک است.

گروه اوبرتالر با استفاده از یک تکنیک دیگر نویز را حتی از این هم کمتر کرد؛ این بار برای اتم‌های به دام افتاده در یک «شبکه نوری» از یک شبکه از پرتوهای لیزر. گروه یک پالس مغناطیسی را برای اتم‌های BEC به کار برد تا برخورد بین اتم‌های با سطح مشابه را بیشتر کند، و برخوردهای مربوط به سطح انرژی‌های متفاوت را کاهش دهد. در انجام این کار، گروه نویز را تا 8.2 دسی‌بل پایین‌تر از حد کلاسیک، یا تقریبا 85 درصد کاهش داد.

فشار ملایم
یوجین پلزیک، متخصص آزمایش‌های درهم‌تنیدگی در انستیتوی نیلز بوهر کپنهاگ، می‌گوید که هر دو مجموعه نتایج «چشمگیر» هستند.

به دلیل اینکه اوبرتالر و گروهش از BEC به دام افتاده در یک شبکه نوری استفاده می‌کردند، پولزیک فکر می‌کند که تکنیک آنها می‌تواند برای نسل بعدی ساعت‌های اتمی مفید باشد، که از لرزش در رنج نوری بهره می‌برند.

در مقابل، استاندارد سزیوم مورد استفاده توسط خیلی از ساعت‌های اتمی در فرکانس‌های مایکروویو کار می‌کند. پولزیک می‌گوید: «ساعت‌های نوری در حال حاضر بیشترین پتانسیل را برای تبدیل شدن به استاندارد دارند». دلیل این امر این است که فرکانس‌های لرزش نوری خیلی بیشتر از فرکانس‌های ریزموج است، و امکان تقسیم زمان به بازه‌های کوچک‌تر را می‌دهند.

مزیت کلیدی تکنیک تروتلین این است که بر مبنای تراشه است. پولزیک می‌گوید: «این شاید رکورد جهانی دقت نباشد، ولی بر مبنای قابل حمل بودن آن، طیف وسیعی از کاربردها برای آن وجود دارد». برای مثال، می‌تواند کمک کند تا دقت ساعت‌های مورد استفاده در سیستم موقعیت‌یاب جهانی جی.‌پی.‌اس بیشتر شود.

با این حال، پولزیک اشاره می‌کند که چگالش بوز-اینشتین تنها راه برای افزایش دقت ساعت‌های اتمی نیست. گروه او به تازگی نویز را در یک ساعت ریزموج سزیومی با عبور دادن بک پالس ملایم لیزر بر روی ابری از 100 هزار اتم بسیار سرد سزیوم کاهش دادند. پالس یک حالت درهم‌تنیده ایجاد می‌کند، ولی آن قدر قدرت ندارد تا سوپرپوزیشن اتم‌ها را در هم بشکند (که به نام QND نیز نامیده می‌شود). این تکنیک همچنین توسط گروهی به رهبری ولادان وولتیک از ام.آی.تی (انستیتوی فناوری ماساچوست) نشان داده شد. پولزیک در حال بحث با رصدخانه پاریس (که از استاندارد سزیوم استفاده می‌کند) است و تلاش دارد تا تکنیک خود را در ساعت‌های اتمی مدرن آن به کار گیرد.

تروتلین می‌گوید: «ما هنوز نمی‌دانیم که کدام یک از این تکنیک‌ها (BEC یا QND) در نهایت بهترین گزینه برای ساعت‌های اتمی خواهند بود، ولی هم ما در حال نشان دادن اجزای پایه‌ای برای رسیدن به محدودیت‌های استاندارد هستیم».