科学家们发现了一种全新的测量时间的方法

(Loren Zemlicka/Moment/Getty Images)

在我们的滴答作响的时钟和摆动的钟摆世界中确定时间的流逝是计算“当时”和“现在”之间的秒数的简单案例。

然而，在嗡嗡作响的电子的量子尺度下，“然后”并不总是可以预测的。更糟糕的是，“现在”常常变得模糊不清。秒表在某些情况下根本不起作用。

根据瑞典乌普萨拉大学研究人员 2022 年的一项研究，可以在量子雾本身的形状中找到一个潜在的解决方案。

他们对称为里德堡态的波状性质的实验揭示了一种不需要精确起点的测量时间的新方法。

里德堡原子是粒子王国中膨胀过度的气球。这些原子被激光而不是空气膨胀，含有极高能量状态的电子，远离原子核。

当然，并非每个激光泵都需要将原子膨胀到卡通比例。事实上，激光通常用于将电子激发到更高的能量状态以用于各种用途。

在某些应用中，第二个激光器可用于监测电子位置的变化，包括时间的流逝。例如，这些“泵浦探针”技术可用于测量某些超快电子设备的速度。

将原子引入里德堡态对工程师来说是一个得心应手的技巧，尤其是在为量子计算机设计新组件时。毋庸置疑，物理学家已经积累了大量关于电子进入里德堡态时移动方式的信息。

不过，作为量子动物，它们的动作不像在小算盘上滑动的珠子，更像是在轮盘赌桌上的一个晚上，球的每一次滚动和跳跃都被挤进了一场机会游戏。

这场疯狂的里德堡电子轮盘游戏背后的数学规则书被称为里德堡波包。

就像实际的波浪一样，在一个空间中有多个里德堡波包涟漪会产生干扰，从而产生独特的涟漪模式。将足够多的里德堡波包扔进同一个原子池，这些独特的模式将分别代表波包相互一致演化所需的不同时间。

这组实验背后的物理学家着手测试的正是这些时间“指纹”，表明它们足够一致且可靠，可以用作量子时间戳的一种形式。

他们的研究涉及测量激光激发的氦原子的结果，并将他们的发现与理论预测相匹配，以显示他们的标志性结果如何在一段时间内有效。

“如果你使用计数器，你必须定义零。你会在某个时候开始计数，”瑞典乌普萨拉大学的物理学家 Marta Berholts 在 2022 年向New Scientist解释道。

“这样做的好处是你不必启动时钟 – 你只需查看干扰结构并说’好吧，已经 4 纳秒了。’”

一本关于演化里德堡波包的指南可以与其他形式的泵浦-探测光谱学结合使用，这些泵浦-探测光谱学可以测量小规模的事件，有时不太清楚，或者测量起来太不方便。

重要的是，没有指纹需要过去和现在作为时间的起点和终点。这就像测量一个未知的短跑运动员与许多以设定速度跑步的竞争对手的比赛。

通过在泵浦探测原子样本中寻找干扰里德堡态的特征，技术人员可以观察到事件的时间戳仅为 1.7 万亿分之一秒。

未来的量子手表实验可以用其他原子代替氦气，甚至使用不同能量的激光脉冲，以扩大时间戳指南以适应更广泛的条件。

这项研究发表在《物理评论研究》上。

本文的早期版本于 2022 年 10 月首次发布。