Фізики з Уппсальського університету у Швеції представили концепцію вимірювання часу, що не потребує визначення стартової точки. Завдяки експериментам з Рідберґівськими станами атомів гелію вони зафіксували характерні інтерференційні структури під час накладання хвиль, які можна використати як умовні «мітки часу». Ці хвилі можуть накладатися одна на одну, створюючи складні візерунки — саме ці «хвильові малюнки» й несуть інформацію про час, що минув. Результати дослідження опубліковано в Physical Review Research — про це передає КРВ.медіа.
Що таке Рідберґівські атоми і хвильові пакети
Рідберґівські атоми — це атоми, електрони яких перебувають на дуже високих енергетичних рівнях. Їх вдається створити шляхом лазерного збудження, коли електрон «піднімається» на орбіту, що знаходиться далеко від ядра. Такі стани є нестійкими, проте надзвичайно цікавими для фізиків, зокрема у сфері квантових обчислень.
Поведінка електрона в Рідберґівському стані описується хвильовими функціями. У таких атомах формується так званий хвильовий пакет — суперпозиція кількох квантових станів, яка поводиться як єдина хвиля, що змінюється в часі. Якщо збудити багато таких пакетів одночасно, вони можуть накладатися одна на одну, утворюючи унікальні візерунки.
Ці інтерференційні структури змінюються з часом у строго визначений спосіб, і тому їх можна використовувати як своєрідні «відбитки часу». Саме це явище стало основою нового способу вимірювання тривалості подій.
Час без нуля: інтерференція як хронометр
У класичній фізиці для відліку часу потрібна стартова точка — момент «нуль», з якого ведеться підрахунок. У квантових системах, де події можуть тривати трильйонні частки секунди, точне визначення старту часто неможливе.
Саме цю проблему і вирішили шведські фізики. Вони використали метод «pump-probe» — короткі лазерні імпульси, що збуджують і фіксують зміни в атомі. У цьому випадку — в атомах гелію. Аналізуючи інтерференційні візерунки хвильових пакетів, дослідники змогли визначити, скільки часу минуло від моменту збудження, не знаючи точного старту.
Марта Бергольц
Якщо ви користуєтеся лічильником, потрібно визначити нуль. А тут — просто дивитесь на структуру інтерференції й кажете: «Добре, минуло 4 наносекунди».
Цей підхід можна порівняти з тим, як визначити швидкість бігуна без секундоміра, знаючи лише позиції інших бігунів із відомими швидкостями. Такий метод дозволяє зафіксувати події, які тривають лише 1,7 пікосекунди (1,7 × 10⁻¹² секунди) — це характерна тривалість імпульсів у фемтосекундній спектроскопії.
Практичне застосування
Новий метод може бути корисним для дослідження надшвидких процесів у квантовій електроніці, спектроскопії та навіть у проєктуванні компонентів квантових комп’ютерів. Рідберґівські атоми вже давно є в полі зору фізиків, адже їх хвильові властивості дають змогу вивчати складні процеси на фундаментальному рівні.
Згодом учені можуть адаптувати цю технологію, замінивши гелій іншими елементами або використовуючи лазери з різною енергією. Це дозволить розширити «довідник квантових відбитків часу» та застосовувати його в ширшому діапазоні експериментів.
Крім того, запропонований метод може доповнити наявні техніки ультракороткого хронометражу, зменшивши залежність від традиційних лазерних таймерів.
Чи зміниться уявлення про час?
Дослідження піднімає важливе філософське питання — що таке час у квантовому світі? Якщо у класичній механіці час — це лінійна і однозначна величина, то у квантовій фізиці він втрачає цю однозначність.
Завдяки методу інтерференційних хвиль, час більше не є абсолютним — він стає частиною системи, яку спостерігає дослідник. Цей підхід не лише змінює технічні засоби вимірювання, а й може вплинути на загальне розуміння природи часу.
Наукова спільнота вважає це перспективним напрямом, але визнає: для підтвердження універсальності методу потрібні подальші дослідження за участі інших типів атомів і складніших конфігурацій.
