Quantenschwingungen von Atomen enthalten bestimmte Informationen. Und wenn Wissenschaftler diese Schwingungen genau messen und ihre Veränderungen über die Zeit aufzeichnen könnten, könnten sie die Genauigkeit der Atomuhr um mindestens das 15-fache verbessern sowie die Genauigkeit von Quantensensoren von Atomsystemen verbessern, deren Schwingungen anzeigen können das Vorhandensein von dunkler Materie, Gravitationswelle oder sogar neue, unerwartete Phänomene, über die wir noch nichts wissen.
Das Haupthindernis bei der Messung feinster Schwingungen, das den Wissenschaftlern im Wege steht, ist das „Rauschen“ unserer Welt, das diese atomaren Schwingungen verstopft. Und so gelang es Wissenschaftlern des Massachusetts Institute of Technology, Quantenänderungen in Atomschwingungen signifikant zu verstärken, indem sie Teilchen durch zwei Schlüsselprozesse schickten: Quantenverschränkung und Zeitumkehr.
MIT-Physiker manipulierten quantenverschränkte Atome so, dass sich die Teilchen so verhielten, als würden sie sich in der Zeit rückwärts bewegen. Als die Forscher das Band der Atomschwingungen effektiv zurückspulten, wurden alle Änderungen dieser Schwingungen so verstärkt, dass sie leicht gemessen werden konnten. Die Methode wurde SATIN genannt.
Für ihre neue Studie untersuchte das Team 400 ultrakalte Ytterbiumatome, eine der beiden Arten von Atomen, die in modernen Atomuhren verwendet werden. Sie kühlten die Atome auf knapp über dem absoluten Nullpunkt, Temperaturen, bei denen die meisten klassischen Effekte wie Wärme verschwinden und das Verhalten von Atomen ausschließlich von Quanteneffekten bestimmt wird.
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Das Team verwendete ein Lasersystem, um die Atome einzufangen, und sendete dann Licht mit einer blaustichigen „Verschränkung“, die die Atome dazu brachte, in einem korrelierten Zustand zu schwingen. Sie ließen die verschränkten Atome sich zeitlich entwickeln und setzten sie dann einem kleinen Magnetfeld aus, das eine kleine Quantenänderung bewirkte und die kollektiven Schwingungen der Atome leicht verschob.
Eine solche Verschiebung wäre mit bestehenden Messinstrumenten unmöglich zu erkennen. Stattdessen wandte das Team eine Zeitumkehr an, um dieses Quantensignal zu verstärken. Dazu verwendeten sie einen anderen Laser mit einem roten Farbton, der die Auflösung von Atomen stimulierte, als ob sie sich in der umgekehrten Richtung der Zeit entwickeln würden. Dann maßen sie die Schwingungen der Teilchen, als sie in ihren verschränkten Zustand zurückkehrten, und stellten fest, dass sich ihre Endphase deutlich von ihrer Anfangsphase unterschied – ein klarer Beweis dafür, dass irgendwo in ihrer Vorwärtsentwicklung eine Quantenänderung stattgefunden hatte.
Das Team wiederholte dieses Experiment tausende Male mit Wolken aus 50 bis 400 Atomen und beobachtete jedes Mal die erwartete Verstärkung des Quantensignals. Das bestätigte die Ergebnisse der ersten Experimente. Diese Methode würde die Atomuhr so genau machen, dass sie über die Lebensdauer des Universums weniger als 20 Millisekunden hinter der aktuellen Universumszeit zurückbleibt.
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