Физики впервые «запутали» два оптических атомных часа. Этот прорыв может стать способом выйти за пределы даже самых передовых текущих ограничений хронометража, а также стать фантастическим инструментом в захватывающей области квантовых вычислений: квантовой криптографии. Новое исследование было опубликованном в журнале Nature.

Атомные часы используются в качестве хронометров, измеряя резонансные частоты атомов, когда их электроны переключаются между энергетическими уровнями. Традиционно это делалось с использованием атомов цезия и микроволн, но с 2000 года стали применяться новые атомы, использующие видимый свет.

Это оптические атомные часы, в которых используются такие элементы, как иттербий, ртуть и стронций. Оптические атомные часы недавно были использованы, чтобы добиться впечатляющих успехов в точном хронометрировании. Они в 100 раз точнее традиционных цезиевых атомных часов. Настолько точны, что вскоре их можно будет использовать для переопределения второго.

Но и у них есть свои ограничения. Особенно, когда требуется несколько часов. Эти оптические часы настолько точны, что позволяют проверять небольшие изменения гравитации, как для проверки таких теорий, как теория относительности, так и для изучения того, что на самом деле находится у нас под ногами. Однако эти подходы требуют сравнения разных часов, и точность этих измерений для независимых устройств будет зависеть от стандартного квантового предела.

Синхронизировать два атомных часа сложно, потому что даже простое их измерение может привести к их изменению и ошибкам. Но есть способ сделать меньше измерений, и именно здесь происходит квантовая «магия». Запутывание атомов в двух часах позволяет достичь предельной точности, допускаемой квантовой теорией, предела Гейзенберга.

Исследователи сообщают о возможности сделать это в системе, состоящей из двух часов, скоторые состоят из одного атома стронция, каждые на расстоянии 2 м друг от друга. Они уменьшили неопределенность в 1,4 раза. Запутанность - особое состояние, в котором частицы, которые мы считаем отдельными, ведут себя как часть единой системы. Изменение одного ведет к мгновенному изменению другого, независимо от расстояния.

Тот факт, что это теоретически может произойти между двумя частицами на каждом конце Вселенной, вызывает у многих ученых тревожное чувство. Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». Но это не причинная связь: частицы находятся в едином запутанном состоянии, поэтому, делая что-то с одной частицей (например, наблюдая), вы на самом деле воздействуете на все состояние, даже если оно простирается на миллиарды световых лет.

В лаборатории запутанные состояния далеки от этой обширной прочной системы. Они очень нежные и легко ломаются. Эта новая работа подчеркивает, что это все еще большая проблема и что эта простая сеть оптических часов - всего лишь доказательство концепции. Новое исследование не только подчеркивает ограничения метода, но и возможные решения.