Fysikere har oppdaget ny måte å måle tid på

Ved hjelp av såkalte rydbergtilstander har forskere skapt en kvantestoppeklokke som ikke teller sekunder. Du bør forestille deg en linjal som kan måle tiden.

Ved hjelp av såkalte rydbergtilstander har forskere skapt en kvantestoppeklokke som ikke teller sekunder. Du bør forestille deg en linjal som kan måle tiden.

Shutterstock

Digitale klokker og atomur blir hele tiden mer nøyaktige. Ved å gjenta en rytme og telle tiden kan vi se hvor mye tid som går.

Nå har et team fysikere ved Uppsala universitet i Sverige og Tartu universitet i Estland funnet en ny måte å måle tid på som ikke krever et tellemønster eller en tidsrytme.

I tidsskriftet Physical Review Research beskriver de utviklingen av en kvantestoppeklokke som bruker såkalte rydbergtilstander til å måle tid i atomer beskutt med laser.

Høres det komplisert ut? Heng på.

Som å måle tiden med en linjal

I en vanlig stoppeklokke går tiden i en rytme som bygger på en tidsenhet – for eksempel et minutt eller et sekund.

Rytmen markerer hvor lang tid som går. For eksempel hvor mange sekunder det tar noen å løpe en bestemt avstand.

En måte å forestille seg en kvantestoppeklokke på, er å se for seg en linjal.

På en linjal er avstanden markert. Den teller ikke hvor mange millimeter det har gått fra et punkt til et annet i en rytme – den bare viser det.

Slik fungerer en kvantestoppeklokke. Tidspunktet for en begivenhet er ikke avhengig av en bestemt rytme, men av utviklingen i et kvantesystem skapt av rydbergatomer som måles med en laserimpuls.

Elektronbølger i en kvantedam

Rydbergatomer er atomer der ett elektron har svært høy energi. Det betyr at atomet har et høyere energinivå enn i grunntilstanden sin, men det er fortsatt bundet til en tilstand.

Atomene blir beskutt med lasere for å presse ett elektron til en ekstremt høy energitilstand, noe som skyver elektronet lenger unna atomkjernen.

laser atom

Med lasere kunne fysikerne både beskyte elektronene og samtidig registrere dem for å finne en spesifikk tidsbestemmelse.

© David Monniaux

Da vil elektronet bevege seg i en bane som er mye lenger unna atomkjernen enn ellers. Det er denne tilstanden som kalles en rydbergtilstand, og den inngår i en såkalt bølgepakke.

Når rydbergbølgepakker støter sammen med andre bølgepakker, kan det oppstå interferens, der de blander seg og får noen unike bølgemønstre.

Og har du flere av disse bølgepakkene i samme kvante-«dam», som forskerne kaller det, så får du en mengde unike blandingsmønstre.

Hvert unike mønster representerer den unike tiden det har brukt på å utvikle seg sammenlignet med alle de andre mønstrene i nærheten. Det skaper det forskerne kaller tidsmerker – et slags fingeravtrykk i tiden.

1,7 billiondeler av et sekund

Forskerne testet disse tidsmerkene i en rekke eksperimenter for å se om de kunne brukes i en ny måte å måle tid på.

Kvantestoppeklokken kan nemlig fortelle hvor lenge heliumatomer har eksistert i en rydbergtilstand. Det er altså endringer i et elektrons posisjon i atomet som måles.

Ved å bombardere disse heliumatomene med en laserpuls kombinert med korte impulser av ultrafiolett lys, kunne forskerne måle tiden i et spektrum.

tids-spektrum

Det er i et spektrum som dette fysikerne kan avlese tiden.

© Physical Review Research

Den tiden kvantestoppeklokken kan måle, kan virke uendelig liten for oss mennesker, men på kvantenivå kan selv korte tidsintervall som et sekund virke som millioner av år.

Håpet er at metoden kan hjelpe forskere med å måle øyeblikk helt ned til 1,7 billiondeler av et sekund, uten å bruke visere eller tellere.

Nærmere bestemt utførte forskerne målinger ned til 81 picosekunder (en trilliondel av et sekund) som hadde en feilmargin som ikke var større enn åtte femtosekunder (en kvadrilliondel av et sekund).

«Hvis du bruker en viser, må du definere null. Du begynner å telle ut fra et tidspunkt», sier en av forskerne som står bak klokken, Marta Berholts ved Uppsala universitet, til nettstedet New Scientist.

«Fordelen med dette er at du ikke trenger å starte klokken – du bare ser på interferensstrukturen og sier ’ja vel, det har gått 4 nanosekunder’.»

Forskerne mener at kvantestoppeklokken blant annet kan brukes til kompliserte beregninger i kvantedatamaskiner. De sier derimot ingenting om når vi kan finne kvantearmbåndsur i butikken, men det kan nok ta tid.