Фізики з Массачусетського технологічного інституту (MIT) та Університету Сіднея повідомили про прорив у квантовій фізиці, який дозволяє обійти один із фундаментальних законів, що визначають поведінку атомів. Це відкриття може стати основою для створення міжзоряного GPS та автономної навігації у глибокому космосі, повідомляє Popular Mechanics.
Результати двох незалежних досліджень, опублікованих у журналах Nature та Science Advances, можуть змінити принципи вимірювання часу. Відкриття допоможе створити нові покоління атомних годинників, що здатні працювати навіть у міжзоряному просторі.
Атомні годинники, які використовуються в супутниках GPS, відстежують рух електронів усередині атомів і забезпечують точність до однієї секунди на 10 мільйонів років. Вони вимірюють частоти електромагнітного випромінювання, необхідного для переходу електрона між енергетичними рівнями. Нові розробки в цій галузі можуть підняти цю точність на безпрецедентний рівень.
Команда MIT під керівництвом професора фізики Владана Вулетича застосувала метод квантового заплутування — взаємозв’язку між атомами, щоб подолати межу стабільності у надточних оптичних атомних годинниках. Ці пристрої, які працюють з атомами ітербію, фіксують коливання частинок із частотою, що дозволяє вимірювати інтервали часу до 100 трильйонних часток секунди. Заплутування атомів за допомогою лазерного світла дозволило вдвічі підвищити точність вимірювань.
“Завдяки квантово-механічній заплутаності можна створювати годинники, які працюватимуть краще для заданої кількості частинок”, — пояснив Вулетич. Це дозволяє ефективно обійти квантову межу, відому як принцип невизначеності Гейзенберга, який обмежує точність вимірювання властивостей частинок.
Фізики з Університету Сіднея під керівництвом Тінгрея Тана і Крістофа Валаху підійшли до проблеми з іншого боку. Їм вдалося одночасно вимірювати положення та імпульс квантової системи, не порушуючи принцип невизначеності. Це стало можливим завдяки методиці, що зосереджується на вимірюванні мікроскопічних змін у системі, ігноруючи глобальні параметри.
“Ми фактично втрачаємо інформацію. Нас цікавлять лише дуже незначні зміни, тому саме так ми можемо отримати цю нову межу невизначеності та ніби обійти принцип Гейзенберга”, — пояснив Валаху.
За словами Тана, нові технології можуть знайти застосування в атомних годинниках, що працюють із високоіонізованими атомами — ще точніших, ніж ті, що базуються на стронції чи ітербії. Його команда пропонує використовувати метод “квантової логічної спектроскопії”, який базується на високоточному вимірюванні малих зміщень положення та імпульсу частинок.
Фахівці зазначають, що ці досягнення можуть стати фундаментом для майбутніх систем автономної навігації у космосі. Мережа надточних атомних годинників могла б забезпечити роботу міжзоряного GPS або використовуватися безпосередньо на борту космічних апаратів.
Раніше фізики з Університету Квінсленда розробили нову модель, що розширює концепцію простору-часу Алькуб’єрре та гіпотетично допускає подорожі в часі. Вони об’єднали теорію “варп-бульбашки” Алькуб’єрре, яка дозволяє маніпулювати простором-часом для руху швидше за світло з ідеєю Курта Гьоделя про “замкнуті часоподібні криві”.