Das Vergehen der Zeit in einer Welt tickender Uhren und schwingender Pendel zu markieren, ist ein einfacher Fall des Zählens der Sekunden zwischen „damals“ und „heute“.
Unten auf der Quantenskala der summenden Elektronen ist „dann“ jedoch nicht immer vorhersehbar. Schlimmer noch, „jetzt“ verschwimmt oft in einem Schleier der Ungewissheit. Eine Stoppuhr reicht in manchen Szenarien einfach nicht aus.
Laut Forschern der Universität Uppsala in Schweden könnte eine mögliche Lösung in der Form des Quantennebels selbst gefunden werden.
Ihre Experimente zur wellenartigen Natur eines sogenannten Rydberg-Zustands haben eine neuartige Methode zur Zeitmessung aufgezeigt, die keinen genauen Ausgangspunkt erfordert.
Rydberg-Atome sind die überblähten Ballons des Teilchenreichs. Diese Atome, die statt mit Luft mit Lasern aufgeblasen wurden, enthalten Elektronen in extrem hohen Energiezuständen, die weit entfernt vom Kern kreisen.
Natürlich muss nicht jeder Pumpstoß eines Lasers ein Atom auf karikaturistische Ausmaße aufblasen. Tatsächlich werden Laser routinemäßig verwendet, um Elektronen für eine Vielzahl von Anwendungen in höhere Energiezustände zu kitzeln.
Bei einigen Anwendungen kann ein zweiter Laser verwendet werden, um die Änderungen der Position des Elektrons zu überwachen, einschließlich des Zeitverlaufs. Diese „Pump-Probe“-Techniken können beispielsweise verwendet werden, um die Geschwindigkeit bestimmter ultraschneller Elektronik zu messen.
Atome in Rydberg-Zustände zu bringen, ist ein praktischer Trick für Ingenieure, nicht zuletzt, wenn es darum geht, neuartige Komponenten für Quantencomputer zu entwerfen. Unnötig zu erwähnen, dass Physiker eine beträchtliche Menge an Informationen darüber gesammelt haben, wie sich Elektronen bewegen, wenn sie in einen Rydberg-Zustand versetzt werden.
Als Quantentiere sind ihre Bewegungen jedoch weniger wie Perlen, die auf einem winzigen Rechenbrett herumgleiten, sondern eher wie ein Abend am Roulettetisch, an dem jedes Rollen und jeder Sprung der Kugel zu einem einzigen Glücksspiel zusammengepresst wird.
Das mathematische Regelbuch hinter diesem wilden Rydberg-Elektronen-Roulette wird als Rydberg-Wellenpaket bezeichnet.
Genau wie echte Wellen in einem Teich erzeugt mehr als ein Rydberg-Wellenpaket, das sich in einem Raum bewegt, Interferenzen, die zu einzigartigen Wellenmustern führen. Werfen Sie genügend Rydberg-Wellenpakete in denselben atomaren Teich, und diese einzigartigen Muster repräsentieren jeweils die unterschiedliche Zeit, die es dauert, bis sich die Wellenpakete in Übereinstimmung miteinander entwickeln.
Es waren genau diese „Fingerabdrücke“ der Zeit, die die Physiker hinter dieser neuesten Reihe von Experimenten testen wollten, um zu zeigen, dass sie konsistent und zuverlässig genug waren, um als eine Form von Quanten-Zeitstempeln zu dienen.
Ihre Forschung umfasste die Messung der Ergebnisse laserangeregter Heliumatome und den Abgleich ihrer Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen, um zu zeigen, wie ihre charakteristischen Ergebnisse für eine gewisse Zeit bestehen könnten.
„Wenn man einen Zähler verwendet, muss man Null definieren. Irgendwann fängt man an zu zählen“, erklärt die Physikerin Marta Berholts von der Universität Uppsala in Schweden, die das Team leitete Neuer Wissenschaftler.
„Das hat den Vorteil, dass Sie die Uhr nicht starten müssen – Sie schauen sich einfach die Interferenzstruktur an und sagen: ‚Okay, es sind 4 Nanosekunden vergangen‘.“
Ein Handbuch der sich entwickelnden Rydberg-Wellenpakete könnte in Kombination mit anderen Formen der Pump-Probe-Spektroskopie verwendet werden, die Ereignisse in einem winzigen Maßstab messen, wenn hin und wieder weniger klar oder einfach zu umständlich zu messen ist.
Wichtig ist, dass keiner der Fingerabdrücke ein Damals und Heute benötigt, um als Start- und Endpunkt für die Zeit zu dienen. Es wäre, als würde man das Rennen eines unbekannten Sprinters gegen eine Reihe von Konkurrenten messen, die mit festgelegten Geschwindigkeiten laufen.
Durch die Suche nach der Signatur interferierender Rydberg-Zustände inmitten einer Probe von Pump-Probe-Atomen konnten Techniker einen Zeitstempel für Ereignisse von nur 1,7 Billionstel Sekunden beobachten.
Zukünftige Quantenuhr-Experimente könnten das Helium durch andere Atome ersetzen oder sogar Laserpulse mit unterschiedlichen Energien verwenden, um das Handbuch der Zeitstempel zu erweitern, um einem breiteren Spektrum von Bedingungen gerecht zu werden.
Diese Studie wurde veröffentlicht in Physikalische Überprüfungsforschung.