Un orologio atomico con entangled quantistico è molto preciso

Gli orologi atomici sono i contatori del tempo più precisi che abbiamo oggi e i migliori mostrano il tempo entro un secondo ogni 15 miliardi di anni. Ma c'è sempre spazio per miglioramenti, come hanno dimostrato i ricercatori del MIT con il nuovo orologio atomico quantistico.

Gli atomi vibrano in modo così preciso che puoi sintonizzare il tuo orologio su di essi, che è esattamente ciò che fa un orologio atomico. Questo orologio utilizza i laser per misurare le vibrazioni e l'ora è sufficientemente precisa per soddisfare gli standard nazionali e internazionali. L'atomo di cesio-133, ad esempio, oscilla esattamente a 9.192.631.770 volte al secondo ed è così stabile che questo campione ha ufficialmente designato il secondo dal 1968.

Ora, un team di fisici del Massachusetts Institute of Technology ha sviluppato un nuovo tipo di orologio atomico che potrebbe spingere ulteriormente i limiti di precisione. Idealmente, il monitoraggio delle vibrazioni di un singolo atomo dovrebbe essere la misura più accurata del tempo, ma sfortunatamente le fluttuazioni quantistiche casuali possono rovinare le misurazioni. Questo è noto come limite quantistico standard.

Pertanto, gli orologi quantistici tracciano tipicamente un gas composto da migliaia di atomi dello stesso tipo - tradizionalmente cesio - sebbene l'itterbio sia emerso come il nuovo leader negli ultimi anni. Questi atomi vengono raffreddati quasi fino allo zero assoluto, quindi tenuti in posizione dai laser mentre un altro laser misura le loro vibrazioni. Prendendo la media per molti atomi si ottiene una risposta più accurata.

Sfortunatamente, gli effetti del limite quantistico standard possono essere ridotti, ma non completamente eliminati. Un nuovo orologio atomico, sviluppato da un team del MIT, riduce ulteriormente il limite grazie all'entanglement quantistico.

Sembra impossibile, ma in alcuni casi gli atomi possono essere così intrecciati che misurare lo stato di uno di essi può cambiare istantaneamente lo stato del suo partner, non importa quanto siano distanti. Questo è noto come entanglement quantistico e i nuovi orologi utilizzano questo fenomeno per misurare il tempo in modo più accurato.

I ricercatori hanno iniziato con circa 350 atomi di itterbio-171, che vibra ancora più velocemente del cesio. Questi atomi cadono in una cavità ottica tra due specchi, quindi un laser viene diretto nella cavità per intrappolare quanticamente gli atomi.

"È come se la luce fungesse da collegamento tra gli atomi", afferma Chi Shu, coautore dello studio. "Il primo atomo che vede questa luce la cambierà un po ', e questa luce cambierà anche il secondo e il terzo atomo, e attraverso molti cicli gli atomi si riconosceranno tutti insieme e inizieranno a comportarsi allo stesso modo."

Una volta che gli atomi sono impigliati, un secondo laser viene proiettato attraverso la nuvola per misurare la loro frequenza media. Gli scienziati hanno scoperto che questo metodo ha creato un orologio in grado di raggiungere una certa precisione quattro volte più velocemente di un orologio simile che utilizza atomi non intrecciati.

I ricercatori affermano che il nuovo metodo potrebbe rendere gli orologi atomici così precisi che anche 15 miliardi di anni dopo, saranno ancora fuori sincrono di meno di 100 millisecondi. Inoltre, possono aiutare gli scienziati a esplorare alcuni degli enigmi più impegnativi della fisica, come la materia oscura, le onde gravitazionali e se le regole della fisica cambiano nel tempo.

"Con l'invecchiamento dell'universo, la velocità della luce cambia?" Chiede Vladan Vuletić, coautore dello studio. “La carica di un elettrone cambierà? Questo è ciò che puoi studiare con un orologio atomico più preciso. "

Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature.