Eine quantenverschränkte Atomuhr ist sehr genau

Atomuhren sind die genauesten Zeitmesser, die wir heute haben, und die besten von ihnen zeigen die Zeit alle 15 Milliarden Jahre auf eine Sekunde an. Aber es gibt immer Raum für Verbesserungen, wie MIT-Forscher mit der neuen quantenverschränkten Atomuhr gezeigt haben.

Atome vibrieren so präzise, ​​dass Sie Ihre Uhr darauf einstellen können - genau das tut eine Atomuhr. Diese Uhr misst mit Lasern Vibrationen und die Zeit ist genau genug, um nationale und internationale Standards zu erfüllen. Das Cäsium-133-Atom schwingt beispielsweise mit genau 9.192.631.770 Mal pro Sekunde und ist so stabil, dass diese Probe seit 1968 offiziell das zweite bezeichnet.

Jetzt hat ein Team von Physikern am Massachusetts Institute of Technology eine neue Art von Atomuhr entwickelt, die die Grenzen der Präzision noch weiter verschieben könnte. Idealerweise sollte die Verfolgung der Schwingungen eines einzelnen Atoms das genaueste Zeitmaß sein, aber leider können zufällige Quantenfluktuationen die Messungen beeinträchtigen. Dies ist als Standardquantengrenze bekannt.

So verfolgen Quantenuhren normalerweise ein Gas, das aus Tausenden von Atomen des gleichen Typs besteht - traditionell Cäsium -, obwohl Ytterbium in den letzten Jahren zum neuen Marktführer geworden ist. Diese Atome werden auf nahezu Null abgekühlt und dann von Lasern an Ort und Stelle gehalten, während ein anderer Laser ihre Schwingungen misst. Wenn man den Durchschnitt vieler Atome nimmt, erhält man eine genauere Antwort.

Leider können die Auswirkungen der Standardquantengrenze reduziert, aber nicht vollständig beseitigt werden. Die neue Atomuhr, die von einem Team am MIT entwickelt wurde, reduziert die Grenze dank der Quantenverschränkung weiter.

Es scheint unmöglich, aber in einigen Fällen können die Atome so miteinander verwoben sein, dass die Messung des Zustands eines Atoms den Zustand seines Partners sofort ändern kann - egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Dies ist als Quantenverschränkung bekannt, und neue Uhren verwenden dieses Phänomen, um die Zeit genauer zu messen.

Die Forscher begannen mit etwa 350 Atomen Ytterbium-171, das noch schneller als Cäsium vibriert. Diese Atome fallen in einen optischen Hohlraum zwischen zwei Spiegeln, dann wird ein Laser in den Hohlraum gerichtet, um die Atome quantenverschränkt zu werden.

"Es ist, als ob Licht eine Verbindung zwischen Atomen ist", sagt Chi Shu, Mitautor der Studie. "Das erste Atom, das dieses Licht sieht, wird es ein wenig verändern, und dieses Licht wird auch das zweite Atom und das dritte Atom verändern, und durch viele Zyklen erkennen sich alle Atome gemeinsam und beginnen sich gleich zu verhalten."

Sobald die Atome verwickelt sind, wird ein zweiter Laser durch die Wolke gerichtet, um ihre durchschnittliche Frequenz zu messen. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass diese Methode eine Uhr geschaffen hat, die mit nicht verschränkten Atomen viermal schneller eine bestimmte Präzision erreichen kann als eine ähnliche Uhr.

Die Forscher sagen, dass die neue Methode Atomuhren so genau machen könnte, dass sie auch nach 15 Milliarden Jahren noch weniger als 100 Millisekunden nicht synchron sind. Außerdem können sie Wissenschaftlern helfen, einige der herausforderndsten Rätsel der Physik zu erforschen, wie z. B. dunkle Materie, Gravitationswellen und ob sich die Regeln der Physik im Laufe der Zeit ändern.

„Ändert sich mit zunehmendem Alter des Universums die Lichtgeschwindigkeit?“, Fragt Vladan Vuletić, Mitautor der Studie. „Wird sich die Ladung eines Elektrons ändern? Dies ist, was Sie mit einer genaueren Atomuhr studieren können. "

Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.