7 Minutės
(Loren Zemlicka/Moment/Getty Images)
Klasikinėje fizikoje laiko matavimas atrodo paprastas: paleidi laikrodį „tuomet“ ir sustabdyti jį „dabar“. Tačiau kvantiniame mikropasaulyje aiškaus starto arba pabaigos momentas gali tapti neapibrėžtas arba net nelogiškas. Uppsalos universiteto mokslininkai pristatė alternatyvų požiūrį į ultragreitų įvykių laiko nustatymą, kuriam nereikia preciziškai fiksuoto pradinio momento. Jų metodas skaito specifinius interferencijos raštus, susidarančius iš Rydbergo bangų paketų, ir naudoja tuos raštus kaip vidinius kvantinius laiko žymeklius.
Rydbergo atomo vizualizacija
Mokslinis kontekstas: Kas yra Rydbergo atomai ir bangų paketai?
Rydbergo atomai yra atomai, kurių elektronai užima itin aukštas energijos būsenas ir juda labai toli nuo branduolio. Tokias būsenas dažnai sukelia ir valdo lazerių impulsai, todėl Rydbergo atomai yra universalus įrankis kvantinės optikos ir kvantinės informacijos eksperimentams. Kadangi elektronas šiose būsenose yra silpnai pririštas prie branduolio, jo elgsena tampa ypač jautri išoriniams laukams, perturbacijoms ir kvantinės interferencijos reiškiniams.
Kai atomas yra perkeltas į superpoziciją kelių Rydbergo energijos būsenų, atitinkamų kvantinių komponentų kolektyvinį judėjimą aprašo Rydbergo bangų paketas. Bangų paketas laike evoliucionuoja pagal fazinių santykių tarp jo sudedamųjų energijos būsenų pokyčius. Jei vienu metu atome arba atomo ansamblyje egzistuoja keli bangų paketai, jie tarpusavyje interferuoja ir sukuria išskirtinius erdvės ir laiko raštus. Tokie interferencijos raštai veikia kaip pirštų atspaudai: kiekvienas raštas koduoja santykinę pagrindinių kvantinių būsenų evoliucijos trukmę ir fazinę istoriją.
Svarbu pabrėžti, kad, skirtingai nei chronometras, kuriam būtinas aiškus t = 0, interferencijos parašas kyla iš paties sistemos dinamikos. Kitaip tariant, raštas pats savaime neša laiko informaciją be išorinio starto žymės — užtenka suprasti ir dekoduoti šios vidinės dinamikos savybes.
Eksperimentas ir rezultatai: Helio atomai, sužadinti lazeriu, ir kvantiniai laiko žymekliai
Uppsalos mokslininkų grupė naudojo pump–probe spektroskopiją su helio atomais, kad sukurtų ir užfiksuotų Rydbergo bangų paketus. Pump–probe metodikoje pirmasis lazerio impulsas (pump) įžiebia arba perturbuoja sistemą, o antrasis impulsas (probe) po reguliuojamo delsos laiko „apklausia“ sistemos būseną. Tradicinėje pump–probe praktikoje laiko nustatymas stipriai priklauso nuo tikslaus leidimo ir matavimo delsos kontrolės. Naujoji prieiga vietoje to analizuoja struktūrą, susidariusią dėl Rydbergo būsenų tarpusavio interferencijos, susidariusios po sužadinimo impulsų.
Tiriant interferencijos požymius ir palyginant juos su teoriniais modeliais, mokslininkai sudarė vadovą arba žemėlapį, kuriame konkrečios interferencijos konfigūracijos atitinka tam tikras praėjusio laiko trukmes. Vietoje to, kad būtų skaičiuojama nuo žinomo nulio, technikai gali apžiūrėti bangų paketo „pirštų atspaudą“ ir tiesiogiai nuskaityti laiko vertę — pavyzdžiui, nustatyti, kad tam tikra interferencijos struktūra atitinka kelis nanosekundžių intervalus arba, kituose eksperimentiniuose režimuose, trukmes, siekiančias maždaug 1,7 trilijoninės sekundės (~1,7 pikosekundės) dydį.
Šis kvantinis laiko žymėjimas remiasi gerai ištirtomis ir charakterizuotomis bangų paketų dinamikomis. Helio eksperimento rezultatai veikė kaip įrodymas, kad eksperimentiniai duomenys atitinka numatytus interferencijos raštus pakankamu tikslumu, kad būtų galima patikimai nustatyti laiko parametrus be apibrėžto starto. Kaip apibendrino Uppsalos komanda, metodas perkelia atsakomybę nuo absoliutaus pradžios momento nustatymo prie vidinių kvantinių parašų atpažinimo ir interpretacijos.
Praktiniu požiūriu, eksperimento metu buvo taikomi keli svarbūs instrumentiniai sprendimai: impulsų trukmės ir spektrinė forma buvo parinktos taip, kad sukurtų pageidaujamą superpozicijų karakterį, o detekcijos grandinė jautriai fiksavo fazinius skirtumus tarp būsenų. Dažnai tokie eksperimentai naudoja fotojonizacijos arba fluorescencinės signalo analizę, tačiau interferencijos raštai galimi įvairiuose detekciniuose kanaluose — priklausomai nuo to, kurią kvantinę informaciją statistiškai galima išskirti iš fono triukšmo. Duomenų apdorojimas apima filtravimą, transformacijas į laiko–fazinę erdvę ir atitikties paiešką su teoriniais modeliais, o tai leidžia sujungti empirinį vaizdą su kvantinės dinamikos užrašais.
Pritaikymai ir pasekmės ultragreitiems matavimams
Kvantinis laiko žymėjimas, grindžiamas Rydbergo bangų paketų interferencija, siūlo keletą reikšmingų pranašumų ir naujų galimybių:
- Pump–probe spektroskopijos papildymas: ši technika gali komplimentuoti esamas pump–probe priemones ir leisti matuoti procesus, kuriems nustatyti tikslų t = 0 yra sudėtinga arba neįmanoma dėl paruošimo neapibrėžtumo.
- Kvantinė metrologija: vidiniai kvantiniai laiko žymekliai galėtų pagerinti ultragreitų matavimų kalibravimą kietųjų kūnų ir atominių sistemų tyrimuose, ypač ten, kur klasikiniai laikrodžiai nepritaikomi dėl fazinio skirtumo ar fazės nejautrumo.
- Kvantinė skaičiavimo ir jutimo technika: Rydbergo būsenos jau domina kvantinių vartu kūrėjus bei jutimo įrenginių projektavimo specialistus; tos pačios interferencijos pagrindu veikiančios laiko žymės gali būti adaptuojamos operacijų diagnostikai, sinchronizacijai arba klaidų aptikimui kvantiniuose įrenginiuose.
Be to, ateities darbai gali praplėsti interferencijos–laiko žemėlapį (angl. interference-to-time guidebook) taikant skirtingus atomus, keičiant lazerio impulsų energijas arba inžinerinant specifines superpozicijas. Tokie plėtimai išplečia prieinamą laiko skalę ir eksperimentines sąlygas: priklausomai nuo pasirinktų atomų, būsenų gyvavimo trukmių ir impulso parametrų, galima pasiekti tiek trumpesnius (sub-pikosekundės) intervalus, tiek ilgesnius (nanosekundės ir daugiau) matavimus.
Vis dėlto verta aptarti ir metodikos ribotumus. Meteorologinis jautrumas, terminis triukšmas, kolapsuojančios dekoherencijos mechanikos ir spektrinių komponentų apribojimai gali sutrumpinti naudingą laiko langą arba komplikuoti raštų dekodavimą. Be to, sistema turi būti pakankamai gerai modeliuojama — jei trūksta patikimo teorinio pagrindo arba jei egzistuoja neapibrėžtų išorinių perturbacijų, laiko nustatymas pagal vidinius parašus bus mažiau patikimas. Todėl patikimi eksperimentai derina modelius su kruopščiai surinktais kalibraciniais duomenimis bei, esant galimybei, skaitmeninės atpažinimo priemonės (pvz., mašininio mokymosi modeliai) padeda automatizuoti ir pagerinti intervencijos–laiko atpažinimą.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Morales, kvantinės optikos tyrėja Instituto fotonikos mokslo srityje (fiktyvus vardas), komentuoja: "Interferencijos pagrindu veikiantis laiko žymėjimas yra sumanus persvarstymas, ką iš tikrųjų reiškia „laiko matavimas“ kvantiniame lygyje. Vietoje klasikinio chronometro primetimo kvantinei sistemai, šis metodas leidžia pačiai sistemai atskleisti savo istoriją per matomus raštus. Tai ypač naudinga ten, kur absoliuti pradžia yra nepraktiška arba kai pačios parengimo procedūros įveda laiko netikslumus."
Dr. Morales papildė, kad praktiniai taikymai reikalauja ir instrumentinės brandos, ir aiškaus supratimo apie dekoherencijos mechanizmus konkrečiose cheminėse, atominėse ar kietojo kūno sistemose. Ji taip pat pabrėžė mašininio mokymosi privalumus, kai reikia iš didelio duomenų kiekio išskirti subtilius interferencinius požymius ir sukurti tvirtą atitikmenų biblioteką laiko žymekliams.
Išvados
Uppsalos eksperimentai iliustruoja naują kelią ultragreitam laiko įvykių matavimui, pasitelkiant kvantinių sistemų vidinę dinamiką, o ne išorinius starto ir stopo žymenis. Surašant interferencijos raštus, susidarančius iš Rydbergo bangų paketų, mokslininkai gali nuskaityti vidinius laiko žymeklius, pritaikomus įvairiose laiko skalėse. Toks požiūris stiprina pump–probe spektroskopijos galimybes, suteikia naujų priemonių kvantinei metrologijai ir siūlo praktinę naudą besivystančioms kvantinėms technologijoms.
Ateityje, tobulinant interferencijos–laiko žodyną, pritaikant metodą kitiems atomams, impulsų parametrams ar detekcijos schemoms, kvantinis laiko žymėjimas gali tapti standartine priemone matuoti trumpalaikius reiškinius tose srityse, kur tradiciniai laikrodžiai yra nepakankami arba neįmanomi. Sėkmingam perkėlimui į platesnį taikymą reikės tarpdisciplininio darbo: fizikos, optikos, skaitmeninio duomenų apdorojimo ir inžinerijos sričių bendradarbiavimo.
Galiausiai verta paminėti, kad nors idėja yra elegantiška ir potencialiai galinga, praktinis pritaikymas reikalauja kruopščios eksperimentinės kontrolės, patikimų teorinių modelių ir atidžios kalibracijos. Tik tokiu būdu kvantiniai laiko žymekliai iš eksperimentinės koncepcijos gali virsti kasdienine priemone šiuolaikiniuose ultra‑greituose tyrimuose ir kvantinėje inžinerijoje.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą