Ученые MIT нашли способ удвоить точность атомных часов для поиска темной материи

Ученые из Массачусетского технологического института совершили прорыв в области квантовых технологий, разработав метод, который вдвое повышает точность оптических часов. Это достижение не только открывает путь к созданию более совершенных систем для будущей цифровой инфраструктуры, но и может помочь в поиске таких загадочных явлений, как темная материя. Современные технологии, включая спутники GPS и взаимодействие компьютеров, полагаются на точный отсчет времени, обеспечиваемый атомными часами на цезии. Однако растущие потребности общества в вычислительных мощностях требуют перехода к более быстрым и стабильным оптическим часам, использующим атомы иттербия, которые «тикают» с невероятной частотой до 100 триллионов раз в секунду.

Главным препятствием на этом пути является квантовый шум, который искажает точные измерения колебаний атомов. В поисках решения этой проблемы физики из MIT обнаружили ранее недооцененный эффект воздействия лазера часов на атомы. Они разработали метод, использующий лазер для управления квантовой запутанностью атомов иттербия, что и позволило вдвое повысить точность часов. Исследователи уверены, что добавление большего количества атомов позволит добиться еще большего прогресса.

Одной из долгосрочных целей работы является создание портативных атомных часов, которые можно будет доставлять непосредственно к месту проведения измерений для изучения различных явлений. Как отметил соавтор исследования Владимир Вулетич, с помощью таких часов ученые пытаются обнаружить темную материю и темную энергию, проверить фундаментальные силы природы и даже прогнозировать землетрясения. Новый метод может помочь сделать эти часы транспортабельными и развертываемыми там, где это необходимо.

В основе нового подхода лежит техника «квантового обращения времени». Идея заключается в том, чтобы сначала запутать атомы, а затем разупорядочить их, что позволяет усилить полезный сигнал на фоне шума. Ключевым открытием стало понимание того, что лазер, настроенный на частоту, близкую к оптической частоте атомов, оставляет в них измеримый след — «память» о своем воздействии, даже после того как атомы возвращаются в исходное энергетическое состояние. Этот сохраняющийся фазовый сдвиг содержит ключевую информацию о стабильности лазера, что и позволяет значительно повысить точность измерений. Проведенные лабораторные испытания подтвердили эффективность метода, вдвое увеличив точность оптических атомных часов, и открыли новые возможности для создания стабильных и портативных устройств следующего поколения.