– Advertisement –
Daha kararlı saatler, karanlık maddenin varlığı da dahil olmak üzere kuantum olaylarını ölçebilir.
Zamanı tutma uygulaması istikrarlı salınımlara dayanır. Büyükbaba saatlerinde, bir saniyenin uzunluğu sarkacın tek bir salınımıyla işaretlenir. Dijital saatlerde kuvars kristalinin titreşimleri çok daha küçük zaman dilimlerini işaret eder. Ve dünyanın en gelişmiş zaman tutucuları olan atom saatlerinde, lazer ışınının salınımları atomları saniyede 9,2 milyar kez titreşmeye teşvik ediyor. Zamanın bu en küçük ve en istikrarlı bölümleri, günümüzün uydu iletişiminin zamanlamasını belirliyor. Küresel Konumlama Sistemi sistemler ve finansal piyasalar.
Bir saatin kararlılığı, bulunduğu ortamdaki gürültüye bağlıdır. Hafif bir rüzgar sarkacın salınımını senkronize olmaktan çıkarabilir. Ve ısı, atom saatindeki atomların salınımlarını bozabilir. Bu tür çevresel etkilerin ortadan kaldırılması saatin hassasiyetini artırabilir. Ama yalnızca bu kadar.
Zaman İşleyişinde Kuantum Sınırları
Yeni bir MİT Çalışma, dış dünyadan gelen tüm gürültüler ortadan kaldırılsa bile saatlerin, lazer ışınlarının ve diğer osilatörlerin kararlılığının kuantum mekaniksel etkilere karşı hala savunmasız olacağını ortaya koyuyor. Osilatörlerin hassasiyeti sonuçta kuantum gürültüsüyle sınırlı olacaktır.
Ancak teoride bu kuantum sınırını aşmanın bir yolu var. Araştırmacılar, çalışmalarında ayrıca kuantum gürültüsüne katkıda bulunan durumları manipüle ederek veya “sıkıştırarak” bir osilatörün kararlılığının, kuantum sınırını aşsa bile iyileştirilebileceğini gösteriyor.
Vivishek, “Gösterdiğimiz şey şu ki, lazerler ve saatler gibi osilatörlerin ne kadar kararlı olabileceğinin bir sınırı var; bu sadece çevre tarafından değil, aynı zamanda kuantum mekaniğinin onları biraz sallanmaya zorlaması gerçeğiyle de belirleniyor” diyor Sudhir, MIT’de makine mühendisliği yardımcı doçenti. “Sonra, bu kuantum mekaniksel sarsıntıyı aşmanın bile yolları olduğunu gösterdik. Ancak o şeyi çevresinden izole etmekten daha akıllı olmanız gerekir. Kuantum durumlarının kendisiyle oynamak zorundasınız.”
Deneysel Uygulamalar ve Geleceğin Teknolojileri
Ekip, teorilerinin deneysel bir testi üzerinde çalışıyor. Salınımlı bir sistemdeki kuantum durumlarını manipüle edebildiklerini gösterebilirlerse araştırmacılar, saatlerin, lazerlerin ve diğer osilatörlerin süper kuantum hassasiyetine ayarlanabileceğini öngörüyorlar. Bu sistemler daha sonra kuantum bilgisayardaki tek bir kübitin dalgalanmaları veya bir kuantum bilgisayarın varlığı gibi zaman içindeki son derece küçük farklılıkları izlemek için kullanılabilir.
MIT Fizik Bölümü’nde yüksek lisans öğrencisi olan Hudson Loughlin, “Önümüzdeki birkaç yıl içinde kuantumla geliştirilmiş zaman tutma yeteneğine sahip lazerlerin çeşitli örneklerini göstermeyi planlıyoruz” diyor. “Son teorik gelişmelerimizin ve gelecek deneylerimizin, zamanı doğru tutma konusundaki temel yeteneğimizi geliştireceğini ve yeni devrim niteliğindeki teknolojileri mümkün kılacağını umuyoruz.”
Loughlin ve Sudhir, çalışmalarını dergide yayınlanan açık erişimli bir makalede ayrıntılarıyla anlatıyor Doğa İletişimi.
Lazer Hassasiyeti
Osilatörlerin kararlılığını incelerken araştırmacılar ilk olarak lazere (yüksek derecede senkronize fotonlardan oluşan dalga benzeri bir ışın üreten optik bir osilatör) baktılar. Lazerin icadı, büyük ölçüde fizikçiler Arthur Schawlow ve Charles Townes’a atfedilir; onlar da adını tanımlayıcı kısaltmadan türetmişlerdir: radyasyonun uyarılmış emisyonu yoluyla ışık amplifikasyonu.
Bir lazerin tasarımı, genellikle cam veya kristallerin içine gömülmüş bir atom topluluğu olan “lazerli bir ortama” odaklanır. En eski lazerlerde, lazer ortamını çevreleyen bir flaş tüpü, atomlardaki elektronları enerjiye atlamak için uyarıyordu. Elektronlar daha düşük enerjiye geri döndüklerinde, bir miktar radyasyon yayarlar. foton. Lazer ortamının her iki ucundaki iki ayna, daha fazla elektronu uyarmak ve daha fazla foton üretmek için yayılan fotonu atomlara geri yansıtır. Lazer ortamıyla birlikte bir ayna, foton üretimini artırmak için bir “yükseltici” görevi görürken, ikinci ayna kısmen geçirgendir ve bazı fotonları konsantre bir lazer ışığı ışını olarak çıkarmak için bir “bağlayıcı” görevi görür.
Lazerin icadından bu yana Schawlow ve Townes, lazerin kararlılığının kuantum gürültüsüyle sınırlı olması gerektiği hipotezini ortaya attılar. Diğerleri o zamandan beri bir lazerin mikroskobik özelliklerini modelleyerek hipotezlerini test ettiler. Çok özel hesaplamalar yoluyla, lazerin fotonları ve atomları arasındaki algılanamayan kuantum etkileşimlerinin, salınımlarının stabilitesini sınırlayabildiğini gösterdiler.
Sudhir, “Ancak bu çalışmanın son derece ayrıntılı ve hassas hesaplamalarla yapılması gerekiyordu; öyle ki sınır anlaşıldı, ancak yalnızca belirli bir lazer türü için” diye belirtiyor. “Lazerleri ve çok çeşitli osilatörleri anlamak için bunu son derece basitleştirmek istedik.”
“Sıkıştır”ı Açma
Ekip, lazerin fiziksel karmaşıklıklarına odaklanmak yerine sorunu basitleştirmeye çalıştı.
Sudhir, “Bir elektrik mühendisi bir osilatör yapmayı düşündüğünde, bir amplifikatör alır ve amplifikatörün çıkışını kendi girişine besler” diye açıklıyor. “Bu, kendi kuyruğunu yiyen bir yılan gibi. Bu son derece özgürleştirici bir düşünce tarzıdır. Lazerin en ince ayrıntılarını bilmenize gerek yok. Bunun yerine, yalnızca lazerin değil, tüm osilatörlerin soyut bir resmine sahip oluyorsunuz.”
Ekip, çalışmalarında lazer benzeri bir osilatörün basitleştirilmiş bir temsilini çizdi. Modelleri bir amplifikatörden (lazerin atomları gibi), bir gecikme hattından (örneğin, ışığın bir lazerin aynaları arasında seyahat etmesi için geçen süre) ve bir bağlayıcıdan (kısmen yansıtıcı bir ayna gibi) oluşur.
Ekip daha sonra sistemin davranışını tanımlayan fizik denklemlerini yazdı ve kuantum gürültüsünün sistemin neresinde ortaya çıkacağını görmek için hesaplamalar yaptı.
Loughlin, “Bu sorunu basit bir osilatöre indirgeyerek, kuantum dalgalanmalarının sisteme nereden geldiğini tam olarak belirleyebiliriz ve bunlar iki yerden gelir: yükseltici ve osilatörden sinyal almamızı sağlayan bağlayıcı” diyor. “Bu iki şeyi bilirsek, osilatörün kararlılığı üzerindeki kuantum sınırının ne olduğunu da biliriz.”
Sudhir, bilim adamlarının çalışmalarında ortaya koydukları denklemleri kendi osilatörlerindeki kuantum sınırını hesaplamak için kullanabileceğini söylüyor.
Dahası ekip, iki kaynaktan birindeki kuantum gürültüsünün “sıkıştırılması” durumunda bu kuantum sınırının aşılabileceğini gösterdi. Kuantum sıkıştırma, bir sistemin bir yönündeki kuantum dalgalanmalarını, başka bir yöndeki dalgalanmaların orantılı olarak artması pahasına en aza indirilmesi fikridir. Etkisi, havanın balonun bir kısmından diğerine sıkılmasına benzer.
Lazer söz konusu olduğunda ekip, bağlayıcıdaki kuantum dalgalanmalarının sıkıştırılması durumunda, bunun sonucunda lazerin gücündeki gürültü artsa bile, giden lazer ışınındaki hassasiyeti veya salınımların zamanlamasını iyileştirebileceğini buldu.
“Kuantum mekaniksel bir sınır bulduğunuzda, her zaman bu sınırın ne kadar şekillendirilebilir olduğu konusunda bir soru ortaya çıkar?” Sudhir diyor. “Bu gerçekten zor bir durak mı, yoksa hâlâ kuantum mekaniğini değiştirerek elde edebileceğiniz bir miktar meyve suyu var mı? Bu durumda, büyük bir osilatör sınıfına uygulanabilen bir sonuç olduğunu görüyoruz.”
Referans: Hudson A. Loughlin ve Vivishek Sudhir tarafından yazılan “Kuantum gürültüsü ve geri bildirim osilatörlerinde kaçınma”, 4 Kasım 2023, Doğa İletişimi.
Bu araştırma kısmen Ulusal Bilim Vakfı tarafından desteklenmektedir.