On keksitty uusi tapa mitata aikaa

Tutkijat ovat luoneet niin sanotun Rydberg-tilan avulla kvanttikellon, joka ei laske sekunteja. Se muistuttaa pikemminkin aikaa mittaavaa viivoitinta.

Tutkijat ovat luoneet niin sanotun Rydberg-tilan avulla kvanttikellon, joka ei laske sekunteja. Se muistuttaa pikemminkin aikaa mittaavaa viivoitinta.

Shutterstock

Digitaali- ja atomikelloista tulee jatkuvasti tarkempia. Toistamalla rytmiä ja laskemalla aikaa voidaan seurata ajan kulumista.

Ruotsalaisen Uppsalan yliopiston ja virolaisen Tarton yliopiston tutkijat ovat keksineet uuden tavan mitata aikaa, eikä se vaadi laskukaavaa eikä jaksoittaisuutta.

Physical Review Research -lehdessä julkaistu artikkeli valottaa tutkijoiden kehittämää kvanttikelloa, joka mittaa niin sanotulla Rydberg-tilalla aikaa laserilla pommitetuissa atomeissa.

Tuntuuko liian vaikealta? Selitys tulee tässä.

Aikaa mitataan ikään kuin viivoittimella

Tavallisen kellon toiminta perustuu rytmiin eli säännöllisen vaihtelun määräämään jaksoittaisuuteen. Jakso vastaa aikayksikköä, kuten sekuntia tai minuuttia.

Jaksot ilmaisevat ajan kulumisen – vaikkapa silloin, kun kilpailija juoksee tietynpituisen matkan.

Kvanttikello on sen sijaan rinnastettavissa viivoittimeen.

Viivoittimeen on merkitty etäisyydet, mutta se ei mittaa, montako millimetriä kuluu matkalla pisteestä toiseen, vaan se ainoastaan näyttää jakson.

Kvanttikello toimii samalla periaatteella. Tapahtuma-aika eri riipu tietystä rytmistä, vaan sen määrää laserpulssilla mitattavien Rydberg-atomien luoman kvanttijärjestelmän kehitys.

Elektroniaaltoja kvanttilammikossa

Rydberg-atomit ovat atomeja, joiden viritystila on korkea. Viritystila tarkoittaa, että atomin energiatila on noussut perustilaa korkeammaksi.

Atomeja ammutaan laserilla, jotta niiden elektronit nousevat korkeille energiatasoille. Tällöin elektronit siirtyvät kauemmaksi atomiytimestä.

laser atom

Fyysikot pystyivät lasereilla ensin lataamaan atomeihin energiaa ja sitten lukemaan niitä ajanmittaustarkoituksessa.

© David Monniaux

Siksi elektronit liikkuvat radoilla, jotka kulkevat normaalia kauempana atomiytimestä. Tätä kutsutaan atomin Rydberg-tilaksi, joka kuuluu niin sanottuun aaltopakettiin.

Kun Rydberg-aaltopaketti törmää sitä muistuttaviin toisiin aaltopaketteihin, voi syntyä interferenssiä, joka sekoittaa ne ainutlaatuisiksi aaltokuvioiksi.

Kun näitä aaltopaketteja on paljon samassa ”kvanttilammikossa”, omintakeisia sekoituskuvioita muodostuu runsaasti.

Jokainen omanlaisensa kuvio ilmentää vain sitä aikaa, joka on kulunut sen kehittymiseen. Muutkin lähellä olevat kuviot ovat kehittyneet ainutlaatuisella tavalla. Näin syntyy aikaleimoja, jotka ovat tavallaan ajan sormenjälkiä.

1,7 sekunnin biljoonasosaa

Tutkijat selvittivät kokeellisesti, voidaanko aikaleimoja soveltaa ajanmittaukseen.

Käytännönläheisemmin ilmaistuna kvanttikello kertoo, kuinka kauan heliumatomit ovat olleet Rydberg-tilassa. Mittauskohteena ovat toisin sanoen elekronien sijainnin muutokset atomissa.

Pommittamalla heliumatomeja laserpulsseilla ja lyhyillä ultraviolettisäteilypulsseilla tutkijat pystyivät mittaamaan ajan spektristä.

tids-spektrum

Tutkijat pystyvät lukemaan ajan tällaisesta spektristä.

© Physical Review Research

Kvanttikellon mittaama ajanjakso voi vaikuttaa tavallisesta ihmisestä äärettömän lyhyeltä, mutta kvanttitasolla niinkin lyhyt aika kuin sekunti tuntuu tavallaan ikuisuudelta.

Menetelmän toivotaan auttavan tutkijoita mittaamaan ajanjaksoja, joiden pituus on vain 1,7 sekunnin biljoonasosaa, ilman laskureita ja osoittimia.

Tarkemmin sanottuna tutkijat mittasivat 81 pikosekunnin (sekunnin biljoonasosan) ajanjakson kahdeksan femtosekunnin (sekunnin tuhannesbiljoonasosan) tarkkuudella.

”Kun käytetään osoitinta, nolla pitää määrittää. Laskeminen aloitetaan tietystä hetkestä”, selittää kellon kehittämiseen osallistunut Marta Berholts Uppsalan yliopistosta New Scientistin verkkouutisessa.

”Siitä, ettei kelloa tarvitse käynnistää, on etua. Katsotaan vain interferenssirakennetta ja todetaan, että on kulunut neljä nanosekuntia”, kertoo Berholts.

Tutkijat uskovat, että kvanttikelloa voidaan hyödyntää muun muassa kvanttitietokoneissa monimutkaisissa laskutoimituksissa. Kestää kuitenkin vielä vähän aikaa, ennen kuin kvanttirannekellot ilmestyvät kauppoihin.