Kvantově entanglované hodiny. Kredit: MIT.

Atomové hodiny jsou dnes nejpřesnějšími měřidly času, jaké máme k dispozici. Nejlepší z nich se nezpozdí ani o sekundu za 15 miliard let, čili téměř za celou dobu existence našeho vesmíru. I když to bude možná znít neuvěřitelně, stále je prostor pro jejich zlepšení. Tým amerického institutu MIT (Massachusettský technologický institut), který vedl Vladan Vuletić, zvedl hozenou rukavici a postavil nové, kvantově entanglované atomové hodiny.

Atomové hodiny využívají toho, že některé atomy vibrují, a to extrémně přesně a stabilně. Taková zařízení jsou vybavená laserem, který odečítá zmíněné vibrace. Například atom cesia-133 osciluje přesně 9 192 631 770 krát za sekundu. Je v tom tak stabilní, že se v roce 1968 stal základem pro definici sekundy. Ideální by bylo takto monitorovat jediný atom. Do chování atomů ale zasahují náhodné kvantové výkyvy, které narušují měření a určování času. Odborníci to označují jako „Standard Quantum Limit“.

Vladan Vuletić. Kredit: MIT.

Proto se atomové hodiny obvykle konstruují s oblakem plynu, který obsahuje tisíce stejných atomů. Tradičně je to zmíněné cesium. V poslední době se také stále více prosazuje ytterbium. Tyto atomy jsou zmrazené téměř na absolutní nulu. Na místě je drží laserové paprsky a další paprsek zase měří jejich oscilace. Výsledkem je průměrná hodnota, která představuje přesnější údaj, než v případě měření jediného atomu.

MIT, logo.

Bohužel, omezující vliv, vyjádřený v „Standard Quantum Limit“, může být tímto postupem jen snížen. Není možné ho kompletně odstranit. Tým MIT pokročil v omezení potíží „Standard Quantum Limit“ ještě dál, díky využití kvantového provázání, entanglementu. Badatelé použili 350 atomů ytterbia-171, které osciluje ještě rychleji než cesium-133. Atomy uvěznili v optickém rezonátoru mezi dvěma zrcadly a pak je kvantově provázali pomocí laserového paprsku. Jako kdyby je propojili optickou komunikační linkou.

Jakmile vědci atomy kvantově provázali, druhý laserový paprsek měřil frekvenci jejich oscilací. Experimenty s takto vytvořenými kvantovými atomovými hodinami ukázaly, že jsou asi čtyřikrát stabilnější v měření času, nežli podobné atomové hodiny bez entanglovaných atomů. Tým MIT je přesvědčený, že jejich nové hodiny by mohly být tak stabilní, že by se za celou dobu existence vesmíru zpozdily či předběhly o méně než 100 milisekund. S kvantově entanglovanými hodinami prý bude možné detailně studovat gravitační vlny, temnou hmotu a řadu dalších pozoruhodných jevů.

Video: Manipulating many quanta one by one: molecules of light and 51 atomic qubits

Literatura

MIT News 16. 12. 2020.

Nature 588: 414–418.