Få ting i universet holder takten så pålitelig som et atoms puls.
Likevel mister selv de mest avanserte “atomklokkene” basert på variasjoner av disse kvantetidtakerne tellingen når de presses til sine grenser.
Fysikere har kjent en stund at sammenfiltrende atomer kan bidra til å binde partikler ned nok til å presse litt mer flått fra hver tock, men de fleste eksperimenter har bare vært i stand til å demonstrere dette på den minste skalaen.
Et team av forskere fra University of Oxford i Storbritannia har skjøvet denne grensen til en avstand på to meter (omtrent seks fot), og beviser at matematikken fortsetter å gjelde over større rom.
Ikke bare kunne dette forbedre den generelle presisjonen til optiske atomklokker, det gir mulighet for et nivå av sammenligning i delsekunders timing av flere klokker i en grad som kan avsløre tidligere uoppdagelige signaler i en rekke fysiske fenomener.
Som navnet indikerer, bruker optiske atomklokker lys for å undersøke atomenes bevegelser for å holde tiden.
Som et barn på en huske, suser komponenter av atomer frem og tilbake under et konsekvent sett med begrensninger. Alt som trengs er et pålitelig spark, for eksempel et foton fra en laser, for å sette svingningen i bevegelse.
Ulike teknikker og materialer har blitt testet gjennom årene for å fremme teknologien til det punktet forskjellene i frekvensene deres legger seg knapt opp til et sekunds feil i løpet av universets 13-milliarder år – et presisjonsnivå som betyr at vi kanskje må tenke på nytt selve måten vi måler tiden på.
Så finjustert som denne teknologien tilfeldigvis er, kommer det et punkt da selve reglene for tidtaking blir litt vage takket være usikkerheten i kvantelandskapet som introduserer en haug med catch-22-situasjoner.
For eksempel kan høyere lysfrekvenser forbedre presisjonen, men kommer på bekostning av at små usikkerhetsmomenter mellom fotonets spark og atomets respons blir viktigere.
Disse kan igjen strykes ut ved å lese atomet flere ganger, en løsning ikke uten egne problemer.
En “single shot”-lesing med riktig type laserpuls ville være ideelt. Fysikere vet at usikkerheten ved denne tilnærmingen kan forbedres hvis atomet som måles allerede har fått sin skjebne viklet inn i et annet.
Forviklinger er på en gang et intuitivt og bisarrt konsept. I følge kvantemekanikken kan objekter ikke sies å ha en verdi eller tilstand før de er observert.
Hvis de allerede er en del av et større system – kanskje gjennom en utveksling av fotoner med andre atomer – vil alle deler av systemet være skjebnebestemt til å levere et relativt forutsigbart resultat.
Det er som å snu to mynter fra samme lommebok, og vite at hvis den ene kommer opp med hodet, vil den andre komme opp i haler selv når den snurrer i luften.
De to “myntene” i dette tilfellet var et par strontiumioner, viklet inn i et foton som ble sendt ned en kort lengde med optisk fiber.
Testen i seg selv ga ingen revolusjonerende presisjonsnivåer i optiske atomklokker, selv om den ikke var ment å gjøre det.
I stedet viste teamet ved å vikle inn de ladede strontiumatomene, at de kunne redusere usikkerheten til målingen under forhold som skulle tillate dem å forbedre presisjonen i fremtiden.
Å kjenne til makroskopiske avstander på noen få meter er ingen utfordring, det er nå teoretisk mulig å vikle sammen optiske atomklokker rundt om i verden for å forbedre deres presisjon.
“Selv om resultatet vårt i høy grad er et prinsippbevis, og den absolutte presisjonen vi oppnår er noen få størrelsesordener under det nyeste, håper vi at teknikkene som vises her en dag kan forbedre de nyeste systemene, ” sier fysiker Raghavendra Srinivas.
“På et tidspunkt vil sammenfiltring være nødvendig da det gir en vei til den ultimate presisjonen tillatt av kvanteteori.”
Å presse litt mer selvtillit ut av hvert tikk-tikk på en atomklokke kan være akkurat det vi trenger for å måle små forskjeller i tid produsert av masser over de minste avstandene, et verktøy som kan føre til kvanteteorier om gravitasjon.
Selv utenfor forskning, kan bruk av sammenfiltring for å redusere usikkerhet i kvantemålinger ha anvendelser i alt fra kvanteberegning til kryptering og kommunikasjon.
Denne forskningen ble publisert i Natur.