Le oscillazioni quantistiche degli atomi contengono un certo insieme di informazioni. E se gli scienziati potessero effettuare misurazioni accurate di queste oscillazioni e tracciare i loro cambiamenti nel tempo, allora potrebbero migliorare la precisione dell'orologio atomico di almeno 15 volte, oltre a migliorare l'accuratezza dei sensori quantistici di sistemi di atomi le cui oscillazioni possono indicare la presenza di materia oscura, onde gravitazionali, o anche nuovi, inaspettati fenomeni, di cui ancora non sappiamo nulla.
L'ostacolo principale nella misurazione delle vibrazioni più fini, che ostacola gli scienziati, è il "rumore" del nostro mondo, che ostruisce queste vibrazioni atomiche. E così gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology sono riusciti ad amplificare in modo significativo i cambiamenti quantistici nelle vibrazioni atomiche inviando particelle attraverso due processi chiave: entanglement quantistico e inversione temporale.
I fisici del MIT hanno manipolato atomi quantistici entangled in modo tale che le particelle si comportassero come se si muovessero indietro nel tempo. Poiché i ricercatori hanno effettivamente riavvolto il nastro delle vibrazioni atomiche, qualsiasi cambiamento in quelle vibrazioni è stato amplificato in modo tale da poter essere facilmente misurato. Il metodo è stato chiamato SATIN.
Per il loro nuovo studio, il team ha studiato 400 atomi ultrafreddi di itterbio, uno dei due tipi di atomi utilizzati nei moderni orologi atomici. Hanno raffreddato gli atomi appena sopra lo zero assoluto, temperature alle quali la maggior parte degli effetti classici come il calore scompaiono e il comportamento degli atomi è determinato esclusivamente dagli effetti quantistici.
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Il team ha utilizzato un sistema di laser per intrappolare gli atomi, quindi ha inviato luce con un "entanglement" sfumato di blu che ha fatto oscillare gli atomi in uno stato correlato. Hanno permesso agli atomi aggrovigliati di evolversi nel tempo e poi li hanno esposti a un piccolo campo magnetico, che ha prodotto un piccolo cambiamento quantico, spostando leggermente le vibrazioni collettive degli atomi.
Un tale spostamento sarebbe impossibile da rilevare con gli strumenti di misurazione esistenti. Invece, il team ha applicato l'inversione del tempo per amplificare questo segnale quantistico. Per fare ciò, hanno utilizzato un altro laser con una sfumatura rossa, che ha stimolato il disfacimento degli atomi, come se si stessero evolvendo nella direzione inversa nel tempo. Hanno quindi misurato le oscillazioni delle particelle mentre tornavano al loro stato entangled e hanno scoperto che la loro fase finale era notevolmente diversa dalla loro fase iniziale: una chiara prova che un cambiamento quantistico era avvenuto da qualche parte nella loro evoluzione in avanti.
Il team ha ripetuto questo esperimento migliaia di volte con nuvole da 50 a 400 atomi, osservando ogni volta l'amplificazione prevista del segnale quantistico. Ciò ha confermato i risultati dei primi esperimenti. Questo metodo renderebbe l'orologio atomico così preciso che nel corso della vita dell'universo sarebbe meno di 20 millisecondi indietro rispetto al tempo dell'universo attuale.
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