Κβαντικό «παραθυράκι» στα ατομικά ρολόγια φέρνει πιο κοντά τη διαστρική πλοήγηση

Οι φυσικοί φαίνεται ότι βρήκαν έναν έξυπνο τρόπο να «παρακάμπτουν» μέρος των περιορισμών της κβαντικής αβεβαιότητας, χωρίς να παραβιάζουν την αρχή του Heisenberg. Δύο πρόσφατες μελέτες, που παρουσιάζονται σε αναλυτικό ρεπορτάζ του Popular Mechanics, δείχνουν πώς η κβαντική εμπλοκή και νέοι τρόποι μέτρησης μπορούν να αυξήσουν θεαματικά την ακρίβεια των ατομικών ρολογιών και των κβαντικών αισθητήρων.

Σήμερα, τα ατομικά ρολόγια είναι η υποδομή πίσω από το GPS, τα δίκτυα τηλεπικοινωνιών και τις χρηματοπιστωτικές συναλλαγές. Δεν βασίζονται σε εκκρεμή αλλά στη «συχνότητα» των ατόμων, για παράδειγμα του καισίου, που απορροφούν ή εκπέμπουν ακτινοβολία όταν τα ηλεκτρόνια τους αλλάζουν ενεργειακή στάθμη. Τα καλύτερα ατομικά ρολόγια χάνουν λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο σε δεκάδες εκατομμύρια χρόνια, και η NASA έχει ήδη δοκιμάσει τέτοια τεχνολογία στο Βαθύ Διαστημικό Ατομικό Ρολόι (Deep Space Atomic Clock), για να επιτρέψει σε διαστημόπλοια να πλοηγούνται πιο αυτόνομα σε μεγάλες αποστάσεις.

Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα έχει μετακινηθεί από τα κλασικά ατομικά ρολόγια στα οπτικά ατομικά ρολόγια (optical atomic clocks. Εκεί, άτομα όπως το στρόντιο ή το υττέρβιο παγιδεύονται σε οπτικό πλέγμα και «χτυπούν» σε οπτικές συχνότητες, εκατοντάδες τρισεκατομμύρια φορές το δευτερόλεπτο. Αυτά τα ρολόγια είναι θεωρητικά πολύ ακριβέστερα, αλλά σκοντάφτουν στο τυπικό κβαντικό όριο (standard quantum limit), δηλαδή στον θεμελιώδη θόρυβο που προκύπτει επειδή οι μετρήσεις σε κβαντικά συστήματα είναι στατιστικές.

Η πρώτη από τις δύο νέες εργασίες, με επικεφαλής τον Vladan Vuletić στο MIT και δημοσίευση στο Nature, δείχνει πώς μπορεί να μειωθεί αυτός ο θόρυβος σε οπτικό ρολόι με άτομα υττερβίου. Η ομάδα δημιουργεί «συμπιεσμένες» κβαντικές καταστάσεις μέσα σε σύννεφο ατόμων και χρησιμοποιεί κβαντική ενίσχυση (quantum amplification) για να μετατρέψει μέρος του κβαντικού θορύβου σε χρήσιμο σήμα. Με απλά λόγια, μειώνουν την αβεβαιότητα στη μεταβλητή που σχετίζεται με τη φάση της ακτινοβολίας, ενώ αφήνουν να αυξηθεί σε μια άλλη, λιγότερο κρίσιμη μεταβλητή. Το αποτέλεσμα είναι ένα οπτικό ρολόι που υπερβαίνει το κλασικό κβαντικό όριο και πλησιάζει περισσότερο στο θεωρητικό όριο Heisenberg για την ακρίβεια.

Η δεύτερη μελέτη, με συγγραφείς από το Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ και βρετανικά ιδρύματα και δημοσίευση στο Science Advances, επιτίθεται στο πρόβλημα από άλλη γωνία. Οι ερευνητές έδειξαν ότι μπορούν να μετρούν ταυτόχρονα αλλαγές στη θέση και στην ορμή ενός κβαντικού συστήματος, χωρίς να παραβιάζεται η αρχή της αβεβαιότητας. Το πετυχαίνουν χρησιμοποιώντας τα λεγόμενα αρθρωτά παρατηρήσιμα (modular observables), εστιάζοντας μόνο σε πολύ μικρές σχετικές μεταβολές και αγνοώντας την «παγκόσμια» πληροφορία. Πειραματικά, αυτό υλοποιείται με ένα παγιδευμένο ιόν σε κατάσταση τύπου «πλέγματος» (grid state), όπου η κυματοσυνάρτηση αποτελείται από επαναλαμβανόμενες κορυφές. Μικρές εξωτερικές δυνάμεις μετακινούν αυτό το μοτίβο, και οι ερευνητές μπορούν να ανιχνεύσουν ταυτόχρονα και τη μετατόπιση και την αλλαγή ορμής.

Η ιδέα θυμίζει ένα αναλογικό ρολόι που έχει μόνο λεπτοδείκτη. Δεν γνωρίζουμε ποια ώρα ακριβώς είναι, όμως ξέρουμε το λεπτό με εξαιρετική ακρίβεια. Στα κβαντικά ρολόγια και στους αισθητήρες, αυτή η προσέγγιση σημαίνει ότι μπορούμε να μετρήσουμε πολύ μικρές σχετικές μεταβολές, για παράδειγμα σε βαρυτικά ή ηλεκτρικά πεδία, με ευαισθησία που μέχρι τώρα φαινόταν εκτός εμβέλειας λόγω του ορίου Heisenberg.

Σε πρακτικό επίπεδο, τέτοιες τεχνικές ανοίγουν τον δρόμο για νέα γενιά κβαντικών αισθητήρων. Σε τροχιά γύρω από τη Γη, δίκτυα οπτικών ατομικών ρολογιών θα μπορούσαν να ανιχνεύουν μικροσκοπικές μεταβολές στο βαρυτικό πεδίο, συνδέοντας την επιχειρησιακή γεωδαισία με έγκαιρη παρακολούθηση τεκτονικών κινήσεων και ίσως πιο αξιόπιστα σήματα προειδοποίησης για σεισμούς. Σε μεγαλύτερες αποστάσεις, ένα σύμπλεγμα εξαιρετικά σταθερών ρολογιών σε όλο το Ηλιακό Σύστημα θα λειτουργούσε ουσιαστικά ως «διαστρικό GPS», επιτρέποντας σε σκάφη να γνωρίζουν τη θέση τους με βάση πολύ ακριβείς μετρήσεις χρόνου, χωρίς συνεχή εξάρτηση από επίγειους σταθμούς.

Παράλληλα, η διεθνής κοινότητα μετρολογίας ετοιμάζεται ήδη για την επόμενη μεγάλη αλλαγή στον ορισμό του δευτερολέπτου. Το Συμβουλευτικό Όργανο για τον Χρόνο και τη Συχνότητα εξετάζει εδώ και χρόνια μια μετάβαση από τον σημερινό ορισμό, που βασίζεται στο άτομο καισίου, σε νέο ορισμό με βάση οπτικά ρολόγια από άτομα όπως το στρόντιο ή το υττέρβιο. Ο στόχος είναι η έγκριση νέου ορισμού γύρω στο 2030, κάτι που θα βελτιώσει περαιτέρω την ακρίβεια σε δορυφορική πλοήγηση, ενεργειακά δίκτυα, τηλεπικοινωνίες και οικονομικές συναλλαγές.

Μπορεί να απέχουμε ακόμη πολύ από το να χαράζουμε πορεία για τον Proxima Centauri, αλλά η τεχνολογία που χρειάζεται για να ξέρει ένα σκάφος πού βρίσκεται σε διαστρικές αποστάσεις παύει σταδιακά να είναι επιστημονική φαντασία. Ο τρόπος που μετράμε τον χρόνο αποδεικνύεται ξανά πως είναι η βάση πάνω στην οποία θα οικοδομηθούν οι επόμενες μεγάλες αποστολές στο Διάστημα.