Часам необязательно считать секунды, колебания или другие повторяющиеся процессы, чтобы определить прошедшее время. Физики из Уппсальского университета разработали квантовые часы, которые считывают время по меняющемуся рисунку внутри возбуждённых атомов гелия. Метод позволяет узнать, сколько времени прошло, даже без заранее установленной нулевой отметки.
Обычные часы опираются на периодический процесс и отсчитывают последовательные циклы от известного момента. Квантовый метод использует другой принцип. Короткий импульс экстремального ультрафиолетового излучения переводит атомы гелия сразу в несколько высоковозбуждённых ридберговских состояний, формируя когерентный волновой пакет.
Разные компоненты волнового пакета обладают немного отличающимися энергиями и со временем меняют фазу относительно друг друга. Квантовая интерференция создаёт сложный рисунок биений, форма которого непрерывно изменяется. Исследователи называют характерные участки сигнала квазиуникальными сигнатурами биений, или QUBS. Каждому моменту соответствует собственная комбинация параметров, поэтому физики могут определить прошедший интервал по короткому фрагменту сигнала.
Команда проверила метод с помощью временно разрешённой фотоэлектронной спектроскопии. После возбуждения атомов второй ближний инфракрасный импульс ионизировал ридберговские состояния, а аппаратура измеряла энергию и количество испущенных электронов. Экспериментальную интерференционную картину затем сравнивали с теоретическими расчётами и определяли задержку между лазерными импульсами.
Вместо счётчика квантовые часы используют саму эволюцию атомной системы как временную шкалу. Достаточно посмотреть на текущий рисунок и сопоставить результат с расчётной моделью. Разработчики сравнивают принцип с измерительной лентой: расстояние можно узнать по отметке в нужной точке, не пересчитывая все предыдущие деления.
Точность определения времени достигает примерно восьми фемтосекунд. Одна фемтосекунда равна одной квадриллионной доле секунды. Подобный масштаб особенно важен для экспериментов, где учёные изучают движение электронов, изменение энергетических состояний и другие процессы, протекающие почти мгновенно.
Квантовая временная шкала заодно способна выявлять ошибки лабораторного оборудования. Во время эксперимента исследователи обнаружили расхождение примерно на 90 фемтосекунд между временем, определённым по квантовому сигналу, и показаниями моторизованной линии задержки. Причиной стала небольшая механическая разъюстировка установки. Интерференционная картина фактически сыграла роль встроенной проверки точности.
Особенно полезным подход может стать в экспериментах типа «накачка-зондирование». Первый лазерный импульс запускает процесс, второй фиксирует состояние системы спустя небольшой интервал. Традиционной установке необходимо очень точно определить момент начала отсчёта, а малейшая ошибка смещает всю временную шкалу. Квантовые часы дают временную метку непосредственно по состоянию атомов и избавляют эксперимент от обязательного поиска нулевой точки.
Разработка не предназначена для замены наручных или атомных часов. Главная ценность метода связана со сверхбыстрой физикой и спектроскопией, где определить точный момент начала процесса иногда сложнее, чем измерить сам процесс. Исследователи также рассматривают применение других благородных газов и молекулярных систем, что позволит изучать квантовую динамику на разных временных масштабах.