Kuantum 'Zamanı Tersine Çevirme' Atılımı, Optik Saatlerin Doğruluğunu İki Katına Çıkarıyor, Karanlık Madde Arayışını İlerletebilir

Atom saatleri dijital altyapımızı çalışır durumda tutmada önemli bir rol oynuyor, ancak toplumumuzun giderek artan bilgi işlem Araştırmacılar şimdi saniyede 100 trilyon tik taka kadar geleceğe ayak uydurabilecek bir saat geliştiriyor.

Sadece bu da değil, MIT bilim insanları tarafından geliştirilen yeni bir tekniğe dayanan böyle bir teknoloji, fizikçilere karanlık madde gibi evrenin anlaşılması en zor olaylarından bazılarının araştırılmasında yardımcı olabilir.

Küresel Konumlama Sistemi uydular, telefonlarımızdaki saatler ve bunlar arasındaki etkileşimler bilgisayarlar bunların hepsi, sezyum atomlarının salınımlarının saniyede 10 milyar kez izlenmesiyle mümkün olan hassas zaman takibi gerektirir. Bu yeteneği gelecek nesil gereksinimleri karşılayacak şekilde yükseltmek için iletişim MIT fizikçileri, iterbiyum bazlı optik saatlerin kararlılığını artırmanın bir yolunu, 2017'de yayınlanan yeni bir makalede ortaya çıkardılar. Doğa.

Kuantum Gürültüsü

İtterbiyumun atom saatinde kullanılması için gereken optik ölçüm teknolojilerinin geliştirilmesindeki en büyük zorluk, atomun kesin hareketlerinin okunmasını bulanıklaştıran kuantum gürültüsünün ortadan kaldırılmasıdır. MIT ekibi, uzun süredir devam eden bu sorunu hafifletmeye çalışırken, saat lazerlerinin atomlar üzerinde uzun zamandır gözden kaçan ve ürettikleri odaklanmış ışık ışınlarını stabilize etmek için manipüle edilebilecek bir etkiye rastladı.

Yeni yöntemleri, iterbiyum atomlarındaki kuantum dolaşıklığını manipüle etmek için lazeri kullanıyor ve keşfin arkasındaki araştırmacıların saatlerin hassasiyetini iki katına çıkarmasını sağlıyor. MIT ekibi, daha fazla atomun eklenmesiyle daha da ileriye gitmeyi öngörüyor.

Çalışmanın uzun vadeli hedefi, çeşitli fenomenleri doğrudan ölçmek için sahaya getirilebilecek, potansiyel olarak evrenimizin en anlaşılması zor gizemlerinden bazılarını avlayan fizikçilere yardımcı olabilecek taşınabilir bir atom saati geliştirmektir.

"Bu saatlerle insanlar karanlık maddeyi ve karanlık enerjiyi tespit etmeye, gerçekten sadece dört temel kuvvetin olup olmadığını test etmeye, hatta bu saatlerin depremleri tahmin edip edemeyeceğini görmeye çalışıyor." ortak yazar Vladan Vuletić dediMIT'de Lester Wolfe Fizik Profesörü.

"Yöntemimizin bu saatlerin ihtiyaç duyulan yere taşınabilir ve konuşlandırılabilir hale getirilmesine yardımcı olabileceğini düşünüyoruz."

Atomik Saatlerle Bir Tarih

Vuletić, daha önce 2020 yılında kuantum dolaşıklık yoluyla hassasiyeti artırmaya yönelik bir teknik sergileyen bir ekibin parçası olarak yıllardır atom saatleri üzerinde çalışıyordu. Kuantum dolaşıklık sayesinde atomlar daha sıkı bir şekilde ilişkili davranış modeline itildi ve saatin rastgele gürültüye karşı tik taklarının daha net tanımlanmasına yardımcı oldu.

Ekip, dolanıklığı oluşturmak için yüzlerce iterbiyum atomunu soğuttu ve ardından onları iki kavisli ayna arasına sıkıştırdı. Bir lazer ışını boşluğa çarptı, aynaların etrafından binlerce kez sıçradı ve yolundaki herhangi bir atomla sürekli olarak reaksiyona girerek bir kuantum dolaşıklık durumu yarattı.

Bu çalışma gürültünün azaldığını gösterse de, lazerin dengesizliği ciddi bir sınırlayıcı faktördü. Çalışmalarını, "zamanın tersine çevrilmesi" olarak nitelendirdikleri bir teknik geliştirerek sürdürdüler; burada tik sinyalini güçlendirmek için atomları dolaştırıp sonra çözüyorlar.

Araştırmacıların üzerinde çalıştığı mikrodalga teknolojileri, ilerlemelerine rağmen, iterbiyum atomlarının yoğun hızlarına tam olarak uymak için gereken yüksek frekansları elde etmekte yetersiz kaldı.

Vuletić, "Saniyede 100 trilyon kez hareket eden atomlarınız varsa, bu mikrodalga frekansından 10.000 kat daha hızlıdır" diyor. "O zamanlar bu yöntemleri, sabit tutulması çok daha zor olan yüksek frekanslı optik saatlere nasıl uygulayacağımızı bilmiyorduk."

Lazer Zamanını Tersine Çevirme

Aradaki boşluğu kapatmak için ekip, dolaşmış atomların optik frekansına yakın salınım yapan bir lazer kullanarak zamanı tersine çevirme tekniğini optik atom saatlerine uygulayan bir yöntem buldu. Bu atomları gözlemlemek için kullanılan lazer, onların tik-tak seslerini devralır ancak senkronizasyonu sürdürmek için yüksek stabilite gerektirir. Daha önce araştırmacılar, bu olayın atom saatlerinin işlemleri üzerinde hiçbir etkisi olmadığına inanıyorlardı. MIT ekibi, ışığın içinden geçen dolaşık atomların enerjilerini artırabildiğini, normale dönmelerine ve olayın anısını muhafaza etmelerine olanak sağladığını fark edene kadar değildi.

Vuletić, "Hiçbir şey yapmadığımızı düşünebiliriz" diyor. "Genellikle alakasız olduğu düşünülen atomların bu küresel aşamasını elde ediyorsunuz. Ancak bu küresel aşama, lazer frekansı hakkında bilgi içeriyor."

Çalışmaları, atomları yalnızca lazere maruz bırakmanın, orijinal enerji durumlarına döndükten sonra bile kalıcı ve ölçülebilir bir değişiklik bıraktığını tespit etti.

Ortak yazar Liu, "Sonuçta, lazer frekansı ile atomik geçiş frekansı arasındaki farkı arıyoruz" diye açıklıyor. "Bu fark küçük olduğunda kuantum gürültüsü tarafından bastırılıyor. Bizim yöntemimiz bu farkı bu kuantum gürültüsünün üzerine çıkarıyor."

Laboratuvar testleri sırasında ekip, yeni tekniklerini kullanarak optik atom saatinin hassasiyetini başarıyla iki katına çıkardı. Atom saatlerini çalıştırmak önemli bir teknik zorluk olmaya devam ederken, ekibin çalışması, kararlı, taşınabilir atom saatlerinin tasarımına yönelik çabaları ilerletecek yeni bir araç sağlıyor.

Kağıt, “Optik Saat Geçişinde Kuantumla Güçlendirilmiş Küresel Faz Spektroskopisi"diye ortaya çıktı Doğa 8 Ekim 2025'te.

Ryan Whalen The Debrief için bilim ve teknolojiyi ele alıyor. Tarih alanında yüksek lisans derecesine ve Kütüphane ve Bilgi Bilimi alanında yüksek lisans derecesine ve Veri Bilimi sertifikasına sahiptir. Kendisiyle iletişim kurulabilir [email protected]ve onu Twitter'da takip edin @mdntwvlf.