物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種全新的時(shí)間測(cè)量方法

在我們這個(gè)充滿滴答作響的時(shí)鐘和擺動(dòng)擺的世界里，確定時(shí)間的流逝是計(jì)算“過去”和“現(xiàn)在”之間的秒數(shù)的簡(jiǎn)單例子。

然而，在嗡嗡聲電子的量子尺度上，“然后”并不總是可以預(yù)測(cè)的。更糟糕的是，“現(xiàn)在”經(jīng)常模糊成一團(tuán)模糊的陰霾。秒表在某些情況下根本不起作用。

根據(jù)瑞典烏普薩拉大學(xué)研究人員 2022 年的一項(xiàng)研究，可以在量子霧本身的形狀中找到潛在的解決方案。

他們對(duì)里德伯格態(tài)的波狀性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)揭示了一種不需要精確起點(diǎn)的新型時(shí)間測(cè)量方法。

里德堡原子是粒子王國(guó)的過度膨脹的氣球。這些原子用激光而不是空氣膨脹，包含處于極高能量狀態(tài)的電子，在遠(yuǎn)離原子核的地方運(yùn)行。

當(dāng)然，并不是每個(gè)激光器的泵浦都需要將原子膨脹到卡通般的比例。事實(shí)上，激光器通常用于將電子搔癢到更高的能量狀態(tài)，以用于各種用途。

在某些應(yīng)用中，可以使用第二個(gè)激光器來監(jiān)測(cè)電子位置的變化，包括時(shí)間的流逝。這些 '泵探頭“技術(shù)可用于測(cè)量某些超快電子設(shè)備的速度。

將原子誘導(dǎo)到里德堡態(tài)是一個(gè)工程師的實(shí)用技巧，尤其是在設(shè)計(jì)方面新型組件為量子計(jì)算機(jī).毋庸置疑，物理學(xué)家已經(jīng)積累了大量關(guān)于電子在進(jìn)入里德堡態(tài)時(shí)如何移動(dòng)的信息。

然而，作為量子動(dòng)物，它們的動(dòng)作不像珠子在小算盤上滑來滑去，而更像是輪盤賭桌上的一個(gè)夜晚，球的每一次滾動(dòng)和跳躍都被擠進(jìn)了一場(chǎng)機(jī)會(huì)游戲中。

這種里德伯格電子輪盤賭狂野游戲背后的數(shù)學(xué)規(guī)則書被稱為里德伯格波包。

就像實(shí)際波一樣，在一個(gè)空間中有多個(gè)里德堡波包漣漪會(huì)產(chǎn)生干擾，從而產(chǎn)生獨(dú)特的漣漪模式。

將足夠多的 Rydberg 波包扔進(jìn)同一個(gè)原子池，這些獨(dú)特的模式將分別代表波包相互演變所需的不同時(shí)間。

這組實(shí)驗(yàn)背后的物理學(xué)家正是著手測(cè)試這些時(shí)間的“指紋”，表明它們足夠一致和可靠，可以作為量子時(shí)間戳的一種形式。

他們的研究包括測(cè)量激光激發(fā)的氦原子的結(jié)果，并將他們的發(fā)現(xiàn)與理論預(yù)測(cè)相匹配，以展示他們的標(biāo)志性結(jié)果如何在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用。

“如果你正在使用計(jì)數(shù)器，你必須定義零。你會(huì)在某個(gè)時(shí)候開始計(jì)數(shù)，“領(lǐng)導(dǎo)該團(tuán)隊(duì)的瑞典烏普薩拉大學(xué)物理學(xué)家 Marta Berholts 解釋說新科學(xué)家在 2022 年。

“這樣做的好處是你不必啟動(dòng)時(shí)鐘——你只需查看干擾結(jié)構(gòu)并說'好吧，已經(jīng)過了 4 納秒。'

進(jìn)化的里德堡波包指南可以與其他形式的泵浦探針光譜結(jié)合使用，這些光譜可以在有時(shí)不太清楚或太不方便測(cè)量時(shí)在很小的尺度上測(cè)量事件。

重要的是，這些指紋都不需要將過去和現(xiàn)在作為時(shí)間的起點(diǎn)和終點(diǎn)。這就像測(cè)量一個(gè)不知名的短跑運(yùn)動(dòng)員與許多以固定速度跑步的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的比賽。

通過在泵浦探針原子樣本中尋找干擾里德堡態(tài)的特征，技術(shù)人員可以觀察到轉(zhuǎn)瞬即逝的事件的時(shí)間戳，僅為 1.7 萬億分之一秒。

未來的量子觀察實(shí)驗(yàn)可能會(huì)用其他原子代替氦，甚至使用不同能量的激光脈沖，以擴(kuò)大時(shí)間戳指南以適應(yīng)更廣泛的條件。

這項(xiàng)研究發(fā)表在物理評(píng)論研究.

本文的早期版本發(fā)表于 2022 年 10 月。

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