Fizikantët e MIT shfrytëzojnë ndryshimet kuantike për zbulimin e valëve gravitacionale dhe lëndës së errët

Një univers i vogël informacioni gjendet në dridhjet kuantike në atome. Shkencëtarët mund të përmirësojnë saktësinë e orëve atomike si dhe sensorët kuantikë nëse mund të matin me saktësi këto lëkundje atomike dhe se si ato evoluojnë me kalimin e kohës. Sensorët kuantikë, të cilët janë sisteme atomesh, luhatjet e të cilëve mund të përdoren si detektor, mund të tregojnë praninë e materies së errët, një valë gravitacionale që kalon, apo edhe fenomene të reja, të papritura.

Zhurma nga bota klasike, e cila mund të mposht shpejt dridhjet e vogla atomike dhe të bëjë çdo ndryshim në ato lëkundje djallëzisht të vështira për t’u zbuluar, është një pengesë e rëndësishme në rrugën e matjeve kuantike të përmirësuara.

Megjithatë, fizikantët e MIT kanë demonstruar kohët e fundit se ata mund të përforcojnë ndjeshëm ndryshimet kuantike në dridhjet atomike, duke i nënshtruar grimcat në dy procese kryesore: ngatërresa kuantike dhe kthimi i kohës.

Përpara se të dilni jashtë dhe të blini një DeLorean, më lejoni t’ju siguroj se ata nuk kanë zbuluar një mjet për të kthyer kohën vetë. Në vend të kësaj, shkencëtarët detyruan atomet që ishin të ngatërruar në mënyrë kuantike të vepronin sikur po evoluonin prapa në kohë. Çdo ndryshim në lëkundjet atomike u zmadhua dhe u bë i lehtë për t’u monitoruar pasi studiuesit në thelb rikthyen shiritin e lëkundjeve atomike.

Në kërkimin e botuar më 14 korrik 2022, në revistën Nature Physics, ekipi i shkencëtarëve demonstron se teknika, të cilën ata e quajtën SATIN (për amplifikimin e sinjalit përmes ndryshimit të kohës), është metoda më e ndjeshme e zhvilluar ndonjëherë për matjen e luhatjeve kuantike.

Teknika mund të përmirësojë saktësinë e orëve atomike më të avancuara të sotme me një faktor prej 15, duke e bërë kohën e tyre aq të saktë sa që orët do të ishin më pak se 20 milisekonda gjatë gjithë epokës së universit. Teknika mund të përdoret gjithashtu për të mprehur më tej sensorët kuantikë që janë krijuar për të zbuluar valët gravitacionale, lëndën e errët dhe fenomene të tjera fizike.

“Ne mendojmë se kjo është paradigma e së ardhmes,” thotë autori kryesor Vladan Vuletic, profesori i fizikës Lester Wolfe në MIT. “Çdo ndërhyrje kuantike që funksionon me shumë atome mund të përfitojë nga kjo teknikë.”

Një lloj i caktuar atomi vibron në një frekuencë të veçantë dhe konstante që, nëse matet siç duhet, mund të shërbejë si një lavjerrës shumë i saktë, duke mbajtur kohën në intervale shumë më të shkurtra se sekonda e orës së kuzhinës. Por në shkallën e një atomi të vetëm, ligjet e mekanikës kuantike marrin përsipër dhe lëkundja e atomit ndryshon si faqja e një monedhe sa herë që rrokulliset. Vetëm duke marrë shumë matje të një atomi, shkencëtarët mund të marrin një vlerësim të lëkundjes së tij aktuale – një kufizim i njohur si Kufiri Kuantik Standard.

Në orët atomike moderne, fizikanët matin lëkundjen e mijëra atomeve ultra të ftohtë, shumë herë më shumë, për të rritur mundësinë e tyre për të marrë një matje të saktë. Megjithatë, këto sisteme kanë njëfarë pasigurie dhe mbajtja e tyre e kohës mund të jetë më e saktë.

Në vitin 2020, grupi i Vuletic tregoi se saktësia e orëve aktuale atomike mund të përmirësohej duke ngatërruar atomet – një fenomen kuantik nga i cili grimcat detyrohen të sillen në një gjendje kolektive, shumë të ndërlidhur. Në këtë gjendje të ngatërruar, lëkundjet e atomeve individuale duhet të zhvendosen drejt një frekuence të përbashkët që do të kërkonte shumë më pak përpjekje për t’u matur me saktësi.

“Në atë kohë, ne ishim ende të kufizuar nga sa mirë mund të lexonim fazën e orës,” thotë Vuletic.

Kjo do të thotë, mjetet e përdorura për të matur lëkundjet atomike nuk ishin mjaft të ndjeshme për të lexuar, ose për të matur ndonjë ndryshim delikate në lëkundjet kolektive të atomeve.

Në studimin e tyre të ri, në vend që të përpiqej të përmirësonte rezolucionin e mjeteve ekzistuese të leximit, ekipi u përpoq të rriste sinjalin nga çdo ndryshim në lëkundjet, në mënyrë që ato të mund të lexoheshin nga mjetet aktuale. Ata e bënë këtë duke shfrytëzuar një tjetër fenomen kurioz në mekanikën kuantike: ndryshimin e kohës.

Mendohet se një sistem thjesht kuantik, si një grup atomesh që është plotësisht i izoluar nga zhurma e përditshme klasike, duhet të evoluojë përpara në kohë në një mënyrë të parashikueshme dhe ndërveprimet e atomeve (siç janë lëkundjet e tyre) duhet të përshkruhen saktësisht nga “Hamiltonian” i sistemit – në thelb, një përshkrim matematikor i energjisë totale të sistemit.

Në vitet 1980, teoricienët parashikuan se nëse Hamiltoniani i një sistemi do të përmbytej dhe i njëjti sistem kuantik do të deevoluonte, do të ishte sikur sistemi të kthehej pas në kohë.

“Në mekanikën kuantike, nëse e dini Hamiltonian, atëherë mund të gjurmoni se çfarë po bën sistemi me kalimin e kohës, si një trajektore kuantike,” shpjegon Pedrozo-Peñafiel. “Nëse ky evolucion është plotësisht kuantik, mekanika kuantike ju thotë se ju mund të deevoluoni, ose të ktheheni dhe të shkoni në gjendjen fillestare.”

“Dhe ideja është, nëse mund të ndryshoni shenjën e Hamiltonianit, çdo shqetësim i vogël që ndodhi pasi sistemi evoluoi përpara do të përforcohej nëse shkoni prapa në kohë”, shton Colombo.

Për studimin e tyre të ri, ekipi studioi 400 atome ultra të ftohtë të itterbiumit, një nga dy llojet e atomeve të përdorura në orët e sotme atomike. Ata i ftohën atomet në vetëm një fije floku mbi zero absolute, në temperatura ku shumica e efekteve klasike si nxehtësia zhduken dhe sjellja e atomeve rregullohet thjesht nga efektet kuantike.

Ekipi përdori një sistem lazerësh për të kapur atomet, më pas dërgoi një dritë “ngatërruese” me ngjyrë blu, e cila i detyroi atomet të lëkunden në një gjendje të ndërlidhur. Ata i lanë atomet e ngatërruara të evoluojnë përpara në kohë, më pas i ekspozuan ndaj një fushe të vogël magnetike, e cila solli një ndryshim të vogël kuantik, duke zhvendosur pak luhatjet kolektive të atomeve.

Një zhvendosje e tillë do të ishte e pamundur të zbulohej me mjetet ekzistuese të matjes. Në vend të kësaj, ekipi aplikoi kthimin e kohës për të rritur këtë sinjal kuantik. Për ta bërë këtë, ata dërguan një lazer tjetër, me ngjyrë të kuqe, që stimuloi atomet të shkëputeshin, sikur ata të evoluonin prapa në kohë.

Ata matën më pas lëkundjet e grimcave ndërsa u vendosën përsëri në gjendjet e tyre të pangatërruara dhe zbuluan se faza e tyre përfundimtare ishte dukshëm e ndryshme nga faza e tyre fillestare – dëshmi e qartë se një ndryshim kuantik kishte ndodhur diku në evolucionin e tyre të ardhshëm.

Ekipi e përsëriti këtë eksperiment mijëra herë, me retë që varionin nga 50 deri në 400 atome, çdo herë duke vëzhguar amplifikimin e pritur të sinjalit kuantik. Ata zbuluan se sistemi i tyre i ngatërruar ishte deri në 15 herë më i ndjeshëm se sistemet e ngjashme atomike të pangatërruara. Nëse sistemi i tyre zbatohet në orët aktuale atomike moderne, do të zvogëlonte numrin e matjeve që kërkojnë këto orë, me një faktor prej 15.

Në vazhdim, studiuesit shpresojnë të testojnë metodën e tyre në orët atomike, si dhe në sensorët kuantikë, për shembull për materien e errët.

“Një re e materies së errët që noton pranë Tokës mund të ndryshojë kohën në nivel lokal, dhe ajo që disa njerëz bëjnë është të krahasojnë orët, të themi, në Australi me të tjerët në Evropë dhe SHBA për të parë nëse ata mund të dallojnë ndryshime të papritura në mënyrën se si kalon koha,” thotë Vuletic. . “Teknika jonë është saktësisht e përshtatshme për këtë, sepse ju duhet të matni ndryshimet kohore që ndryshojnë shpejt ndërsa reja kalon pranë.”