U našem svijetu satova i njihala, mjerenje vremena je jednostavno – brojimo sekunde između "tada" i "sada".
Ali na kvantnom nivou, u svijetu zujećih elektrona, "tada" se ne može uvijek predvidjeti, a "sada" često postaje maglovita neodređenost. U takvim situacijama štoperica jednostavno ne funkcioniše.
Kvantna magla kao nova mjera vremena
Potencijalno rješenje moglo bi se nalaziti u samom obliku kvantne magle, prema studiji iz 2022. koju su proveli istraživači sa Univerziteta Uppsala u Švedskoj.
Njihovi eksperimenti o talasnoj prirodi takozvanog Rydbergovog stanja otkrili su novi način mjerenja vremena koji ne zahtijeva preciznu početnu tačku.
Šta su Rydbergova stanja?
Rydbergovi atomi su poput prenapuhanih balona svijeta čestica. Umjesto zraka, napuhani su laserima, pri čemu elektroni prelaze u vrlo visoka energetska stanja, kružeći daleko od jezgre.
Naravno, nije svaki impuls lasera dovoljan da atom "napuše" do karikaturalnih razmjera. Laseri se rutinski koriste za podizanje elektrona na više energetske nivoe – što je korisno u brojnim primjenama.
U nekim slučajevima, drugi laser može nadzirati promjene u položaju elektrona, uključujući i protok vremena. Ove takozvane "pump-probe" tehnike koriste se, na primjer, za mjerenje brzine ultrabrze elektronike.
Kvantni haos kao sat
Indukovanje atoma u Rydbergova stanja je koristan trik za inženjere, posebno kod razvoja komponenti za kvantne računare. Fizičari već posjeduju mnogo informacija o kretanju elektrona u tim stanjima.
Međutim, kretanje elektrona u kvantnom svijetu nije nalik zrnima na abaku, već više liči na večer u kazinu – gdje se svaki skok i okret loptice u ruletu stapa u jednu veliku igru sreće.
Matematičko pravilo koje opisuje ovu igru naziva se Rydbergov talasni paket.
Talasi vremena: kvantni otisak
Kao i kod stvarnih talasa, više Rydbergovih talasnih paketa u istom prostoru stvara interferenciju, rezultirajući jedinstvenim obrascima talasa.
Ako ih ubacimo dovoljno, svaki obrazac talasa može predstavljati specifično vrijeme koje je bilo potrebno da talasni paketi međusobno evoluiraju.
Upravo ti "otisci vremena" bili su predmet eksperimenata, a fizičari su dokazali da su dovoljno konzistentni i pouzdani da služe kao kvantni vremenski pečati.
Mjerenje bez početka
Istraživači su mjerili rezultate helijumovih atoma pobuđenih laserima i upoređivali ih s teorijskim predviđanjima, pokazujući da bi ti otisci mogli zamijeniti klasično mjerenje trajanja.
„Kada koristite brojač, morate definirati nulu. Morate od nekud početi brojati“, objasnila je fizičarka Marta Berholts sa Univerziteta Uppsala za New Scientist 2022. godine.
„Prednost ovog pristupa je što ne morate pokretati sat – samo pogledate strukturu interferencije i kažete: 'U redu, prošle su 4 nanosekunde.'“
Nova era kvantnih štoperica
Vodič kroz evoluirajuće Rydbergove talasne pakete mogao bi se koristiti zajedno s drugim tehnikama pump-probe spektroskopije, posebno kada su "sada" i "tada" nejasni ili nepraktični za mjerenje.
Ono što je ključno – nijedan od ovih kvantnih otisaka ne zahtijeva jasno definisanu početnu i završnu tačku. To bi bilo kao da mjerimo trku nepoznatog sprintera upoređujući ga s ostalim trkačima poznate brzine.
Posmatranjem interferentnih Rydbergovih stanja u uzorcima atoma, tehničari bi mogli zabilježiti vremenske oznake događaja koji traju svega 1,7 trilionitih dijelova sekunde.
U budućnosti, kvantni eksperimenti s mjerenjem vremena mogli bi umjesto helijuma koristiti druge atome ili laserske impulse različitih energija, kako bi proširili vodič kvantnih vremenskih pečata na još širi spektar uslova.