Praksa držanja vremena zavisi od stabilnih oscilacija. U dedinom satu, dužina sekunde je označena jednim zamahom klatna. U digitalnom satu, vibracije kristala kvarca obeležavaju mnogo manje delove vremena. A u atomskim satovima, najsavremenijim svetskim mericima vremena, oscilacije laserskog zraka stimulišu atome da vibriraju 9,2 milijarde puta u sekundi. Ove najmanje, najstabilnije podele vremena postavljaju vreme za današnje satelitske komunikacije, GPS sisteme i finansijska tržišta.
Stabilnost sata zavisi od buke u njegovom okruženju. Lagani vetar može da izbaci zamah klatna van sinhronizacije. A toplota može poremetiti oscilacije atoma u atomskom satu. Eliminisanje takvih uticaja na životnu sredinu može poboljšati preciznost sata. Ali samo toliko.
Nova studija MIT-a otkriva da čak i ako se eliminiše sva buka iz spoljašnjeg sveta, stabilnost satova, laserskih zraka i drugih oscilatora bi i dalje bila podložna kvantno-mehaničkim efektima. Preciznost oscilatora bi na kraju bila ograničena kvantnim šumom.
Ali u teoriji, postoji način da se pređe ova kvantna granica. U svojoj studiji, istraživači su takođe pokazali da se manipulacijom ili „stiskanjem“ stanja koja doprinose kvantnom šumu, stabilnost oscilatora može poboljšati, čak i preko njegove kvantne granice.
„Ono što smo pokazali je da zapravo postoji ograničenje koliko stabilni oscilatori poput lasera i satova mogu biti, koje nije postavljeno samo njihovim okruženjem, već i činjenicom da ih kvantna mehanika prisiljava da se malo protresu“, kaže Vivišek Sudhir, docent za mašinstvo na MIT-u. „Zatim, pokazali smo da postoje načini na koje čak možete da zaobiđete ovo kvantno mehaničko potresanje. Ali morate biti pametniji nego da samo izolujete stvar iz njenog okruženja. Morate se igrati sa samim kvantnim stanjima.“
Tim radi na eksperimentalnom testu svoje teorije. Ako mogu da pokažu da mogu da manipulišu kvantnim stanjima u oscilirajućem sistemu, istraživači predviđaju da bi satovi, laseri i drugi oscilatori mogli biti podešeni na super-kvantnu preciznost. Ovi sistemi bi se zatim mogli koristiti za praćenje beskonačno malih razlika u vremenu, kao što su fluktuacije jednog kubita u kvantnom računaru ili prisustvo čestica tamne materije koje lebde između detektora.
„Planiramo da demonstriramo nekoliko primera lasera sa kvantno poboljšanom sposobnošću merenja vremena u narednih nekoliko godina“, kaže Hadson Laflin, diplomirani student na odseku za fiziku MIT-a. „Nadamo se da će naš nedavni teorijski razvoj i predstojeći eksperimenti unaprediti našu osnovnu sposobnost da tačno držimo vreme i omogućimo nove revolucionarne tehnologije.
Loughlin i Sudhir detaljno opisuju svoj rad u radu otvorenog pristupa objavljenom u časopisu Nature Communications.
U proučavanju stabilnosti oscilatora, istraživači su prvo pogledali laser – optički oscilator koji proizvodi talasast snop visoko sinhronizovanih fotona. Pronalazak lasera je u velikoj meri zaslužan fizičarima Arturu Šolou i Čarlsu Taunsu, koji su skovali naziv od njegovog opisnog akronima: pojačanje svetlosti stimulisanom emisijom zračenja.
Dizajn lasera se usredsređuje na „medijum lasera“ — kolekciju atoma, obično ugrađenih u staklo ili kristale. U najranijim laserima, fleš cev koja okružuje medijum lasera bi stimulisala elektrone u atomima da skoče u energiji. Kada se elektroni opuste nazad na nižu energiju, emituju nešto zračenja u obliku fotona.
Dva ogledala, na oba kraja laserskog medija, reflektuju emitovani foton nazad u atome da bi stimulisali više elektrona i proizveli više fotona. Jedno ogledalo, zajedno sa laserskim medijumom, deluje kao „pojačalo“ za povećanje proizvodnje fotona, dok je drugo ogledalo delimično transmisivno i deluje kao „spojnik“ za izdvajanje nekih fotona kao koncentrisanog snopa laserske svetlosti.
Od pronalaska lasera, Schavlov i Tovnes izneli su hipotezu da stabilnost lasera treba da bude ograničena kvantnim šumom. Drugi su od tada testirali svoju hipotezu modeliranjem mikroskopskih karakteristika lasera. Kroz vrlo specifične proračune, oni su pokazali da zaista, neprimetne, kvantne interakcije između laserskih fotona i atoma mogu ograničiti stabilnost njihovih oscilacija.
„Ali ovaj rad je imao veze sa izuzetno detaljnim, delikatnim proračunima, tako da je granica bila shvaćena, ali samo za određenu vrstu lasera“, napominje Sudhir. „Želeli smo da ovo enormno pojednostavimo, da razumemo lasere i širok spektar oscilatora.“
Umesto da se fokusira na fizičke zamršenosti lasera, tim je nastojao da pojednostavi problem.
„Kada inženjer elektrotehnike razmišlja da napravi oscilator, on uzima pojačalo i unosi izlaz pojačala u njegov sopstveni ulaz“, objašnjava Sudhir. „To je kao da zmija jede svoj rep. To je izuzetno oslobađajući način razmišljanja. Ne morate da znate detalje lasera. Umesto toga, imate apstraktnu sliku, ne samo lasera, već i svih oscilatora .“
U svojoj studiji, tim je napravio pojednostavljeni prikaz laserskog oscilatora. Njihov model se sastoji od pojačala (kao što su atomi lasera), linije kašnjenja (na primer, vreme koje je potrebno svetlosti da putuje između laserskih ogledala) i spojnice (kao što je delimično reflektujuće ogledalo).
Tim je zatim zapisao jednačine fizike koje opisuju ponašanje sistema i izvršio proračune da vidi gde će u sistemu nastati kvantni šum.
„Apstrahujući ovaj problem na jednostavan oscilator, možemo tačno odrediti gde kvantne fluktuacije dolaze u sistem, a one dolaze na dva mesta: pojačalo i spojnik koji nam omogućava da izvučemo signal iz oscilatora“, kaže Loflin. „Ako znamo te dve stvari, znamo koja je kvantna granica stabilnosti tog oscilatora.“
Sudhir kaže da naučnici mogu da koriste jednačine koje su postavili u svojoj studiji da izračunaju kvantnu granicu u sopstvenim oscilatorima.
Štaviše, tim je pokazao da bi se ova kvantna granica mogla prevazići ako bi se kvantni šum u jednom od dva izvora mogao „stisnuti“. Kvantno stiskanje je ideja minimiziranja kvantnih fluktuacija u jednom aspektu sistema na račun proporcionalno rastućih fluktuacija u drugom aspektu. Efekat je sličan istiskivanju vazduha iz jednog dela balona u drugi.
U slučaju lasera, tim je otkrio da ako se kvantne fluktuacije u spojnici stisnu, to može poboljšati preciznost ili tajming oscilacija u izlaznom laserskom snopu, čak i kada bi se buka u snazi lasera povećala kako rezultat.
„Kada nađete neku kvantno mehaničku granicu, uvek se postavlja pitanje koliko je ta granica savitljiva?“ Sudhir kaže. „Da li je to zaista teško zaustavljanje, ili još uvek postoji sok koji možete izvući manipulisanjem nekom kvantnom mehanikom? U ovom slučaju, nalazimo da postoji, što je rezultat koji je primenljiv na ogromnu klasu oscilatora.“
