量子絡み合った原子時計は非常に正確です

原子時計は私たちが今日持っている最も正確なタイムメーターであり、それらの最高のものは150億年ごとに1秒以内の時間を示しています。しかし、MITの研究者が新しい量子絡み合い原子時計で実証したように、常に改善の余地があります。

原子は非常に正確に振動するので、時計をそれらに合わせることができます。これはまさに原子時計が行うことです。この時計はレーザーを使用して振動を測定し、時間は国内および国際基準を満たすのに十分正確です。たとえば、セシウム133原子は、1秒間に正確に9,192,631,770回振動し、非常に安定しているため、このサンプルでは1968年以来2番目に正式に指定されています。

現在、マサチューセッツ工科大学の物理学者のチームは、精度の限界をさらに押し上げることができる新しいタイプの原子時計を開発しました。理想的には、個々の原子の振動を追跡することが最も正確な時間の尺度であるはずですが、残念ながら、ランダムな量子変動は測定を台無しにする可能性があります。これは、標準の量子限界として知られています。

したがって、量子時計は通常、同じタイプの何千もの原子（伝統的にはセシウム）で構成されるガスを追跡しますが、イッテルビウムは近年新しいリーダーになっています。これらの原子はほぼ絶対ゼロまで冷却され、別のレーザーがそれらの振動を測定している間、レーザーによって所定の位置に保持されます。多くの原子の平均を取ると、より正確な答えが得られます。

残念ながら、標準の量子制限の影響を減らすことはできますが、完全に排除することはできません。 MITのチームによって開発された新しい原子時計は、量子エンタングルメントのおかげで制限をさらに減らします。

不可能に思えますが、場合によっては、原子が非常に絡み合っているため、一方の状態を測定すると、互いにどれだけ離れていても、パートナーの状態を即座に変更できます。これは量子エンタングルメントとして知られており、新しい時計はこの現象を使用して時間をより正確に測定します。

研究者たちは、セシウムよりもさらに速く振動する約350個のイテルビウム-171原子から始めました。これらの原子は2つのミラーの間の光学キャビティに落下し、次にレーザーがキャビティに向けられて原子を量子絡み合わせます。

「それはまるで光が原子間のリンクとして機能するかのようです」と研究の共著者であるChiShuは言います。 「この光を見る最初の原子はそれを少し変え、この光は2番目の原子と3番目の原子も変えます。そして多くのサイクルを通して、原子はすべてお互いを認識し、同じように振る舞い始めます。」

原子が絡み合ったら、2番目のレーザーを雲に当てて平均周波数を測定します。科学者たちは、この方法が、絡み合っていない原子を使用する同様の時計よりも4倍速く特定の精度を達成できる時計を作成したことを発見しました。

研究者たちは、新しい方法で原子時計を非常に正確にすることができるため、150億年後でも、100ミリ秒未満で同期が外れると述べています。さらに、暗黒物質、重力波、物理学の規則が時間の経過とともに変化するかどうかなど、科学者が物理学で最も困難なパズルのいくつかを探索するのに役立ちます。

「宇宙が古くなるにつれて、光の速度は変化しますか？」この研究の共著者であるウラダン・ヴレティッチは尋ねます。 「電子の電荷は変化しますか？これは、より正確な原子時計で学ぶことができるものです。」

この研究は、ジャーナルNatureに掲載されました。