В США создали самые точные часы на планете: за миллиард лет они уйдут вперед или отстанут не более чем на несколько десятых долей секунды. Устройство основано на тех же принципах, что и квантовые компьютеры. Физики называют разработанное ими устройство «часами на квантовой логике».
Сердце этих часов — ионная ловушка, магнитное поле которой удерживает два атома алюминия и один атом бериллия в строго определенных местах — напротив двух лазеров, сообщает GZT.ru.
Два атома алюминия разнесены на расстояние в четыре микрометра (1 мкм = 0,001 мм). По законам квантовой механики попадание на них лазерного луча приводит к переходу атома из одного состояния в другое — на языке физиков этот процесс называется переходом между энергетическими уровнями. Причем для того, чтобы переход произошел, необходимо выполнить одно важное условие: упавший на атом луч света должен быть определенной частоты.
Частота электромагнитной волны (а свет — это частный случай электромагнитных волн) определяет ее энергию. Чем частота выше, тем больше энергия, поэтому видимый свет и тепло для клеток кожи безвредны, а ультрафиолет, частота которого выше, способен вызвать и рак кожи. Кроме того, частота света напрямую определяет его цвет: частота красных световых волн меньше частоты синих.
Если частота подобрана правильно (лазер настроен, и настройка его не сбилась) и один из атомов перешел в другое состояние, то ничего интересного не происходит. Стоящий вблизи магнитной ловушки второй лазер посылает еще один импульс, но он проходит через установку без изменений: пара атомов алюминия, в которой хотя бы один из атомов перескочил на новый уровень, на импульс не реагирует.
Но если настройка первого лазера сбилась, то уже он оказывается не в состоянии вызвать квантовый переход. И тогда второй лазерный импульс приводит к тому, что оба оставшихся неизменными атома алюминия начинают колебаться в унисон. После этого энергия их колебаний передается уже иону бериллия. Ион бериллия меняет свое состояние, и это изменение тут же фиксируется специальным детектором, сигнализирующем о том, что настройка лазера сбита.
Настройка лазера снова меняется электронной схемой, и эксперимент повторяется. Сначала одним импульсом атомы алюминия пробуют «поднять на уровень вверх», а потом вторым импульсом проверяют, удалось ли это сделать. Всю систему можно в чем-то уподобить музыкальному инструменту, который необходимо постоянно подстраивать для достижения нужной тональности: только вместо звуковых колебаний здесь свет, вместо пианино или гитары — лазер, а вместо камертонов — несколько атомов, поведение которых описывается законами квантовой механики.
В роли маятника в новых часах используется лазер
Любой часовой механизм, от средневековых башенных часов до самых совершенных лазерных систем, — это прежде всего некоторый маятник, который присоединен к механизму отображения времени. В роли маятника детище американских физиков использует лазер (колеблется в нем световая волна), и, как показали первые опыты, он держит (благодаря квантовой системе контроля частоты) на редкость постоянный ритм: намного лучше, чем используемые сейчас в качестве эталона секунды «цезиевые часы». Частоту лазера легко перевести в число колебаний за секунду, а зная число колебаний, определить и время.
Что такое секунда сегодня?
Сегодня секунда — это вовсе не 1/60 минуты, которая составляет 1/60 часа, который занимает 1/24 времени, необходимого Земле для одного оборота. Вращение Земли для современной науки — это слишком уж непостоянный процесс: мало того что оно замедляется со временем, так и сама ось вращения «гуляет» из стороны в сторону. Использовать для высокоточных измерений такой эталон нельзя.
Современные эталоны секунды с 1960-х годов основаны именно на свойствах атомов испускать определенной частоты излучение, поэтому секунда определяется как время, уходящее на 9192631770 (это абсолютно точное число) колебаний электромагнитной волны, испущенной атомом цезия.
Квантовые устройства
Магнитные ловушки, охлажденные до низких температур, с подвешенными в них ионами на перекрестье лазерных лучей — такая сложная техника нужна для того, чтобы изолировать отдельные атомы. Ведь просто в частице алюминия или иного вещества квантовые эффекты незаметны: поведение алюминиевой пылинки вполне понятно и предсказуемо с точки зрения обычной житейской логики.
Но если использовать отдельные атомы или крайне малое их число, то реагировать на воздействия они будут уже по квантовым законам. И эти законы позволяют создать многие устройства, которые с точки зрения классической физики (классической называют физику, которая сформировалась к концу XIX века: законы Ньютона, Ома или Менделеева-Клайперона, например, относятся к классической физике) невозможны, в квантовом мире вполне работоспособны.
Более того, квантовые законы даже позволяют создать принципиально новые компьютеры, которые в отдельных задачах намного эффективнее обычных компьютеров.
