Ατομικά ρολόγια φαντάσματα, με πολύ υψηλή ακρίβεια

Από ιστοσελίδα της NASA, Φεβρουάριος 2004

Ο Einstein την αποκαλούσε δράση φάντασμα από απόσταση. Τώρα ερευνητές με χρηματοδότηση από τη NASA χρησιμοποιούν μια εκπληκτική δυνατότητα της κβαντομηχανικής, την διεμπλοκή, για να βελτιώσουν τα ατομικά ρολόγια. Τα πιο ακριβή μέσα που διαθέτει ο άνθρωπος για να μετράει το χρόνο. Τα ρολόγια με χρήση διεμπλοκής θα μπορούσαν να είναι 1000 φορές πιο σταθερά από τα αντίστοιχά τους χωρίς διεμπλοκή.  

Η βελτίωση αυτή θα ωφελούσε όλους όσους κάνουν χρήση του Παγκόσμιου Συστήματος Εντοπισμού θέσης (GPS). Καθένας από τους 24 τουλάχιστον δορυφόρους που συμμετέχουν στο σύστημα GPS φέρει 4 ατομικά ρολόγια. Με κατάλληλους τριγωνομετρικούς υπολογισμούς με βάση τα σήματα που λαμβάνει ένας επίγειος δέκτης από τους δορυφόρους, μπορεί ο δέκτης αυτός να υπολογίσει με υψηλή ακρίβεια τη θέση του επί της Γης. 

Η NASA χρησιμοποιεί ατομικά ρολόγια για την πλοήγηση των διαστημοπλοίων της. Οι γεωλόγοι τα χρησιμοποιούν για την καταγραφή της μετατόπισης των ηπείρων και την αργή μεταβολή της ιδιοπεριστροφής του πλανήτη μας. Οι φυσικοί τα χρησιμοποιούν για να ελέγξουν τις θεωρίες της βαρύτητας. Ένα ατομικό ρολόι με διεμπλοκή θα μπορούσε να μετρήσει το χρόνο με τόση ακρίβεια όση απαιτείται για τον έλεγχο της τιμής της σταθεράς λεπτής υφής, μιας από τις θεμελιώδεις σταθερές της φυσικής. 

Η δυνατότητα να μετράμε τον χρόνο με πολύ υψηλή ακρίβεια είναι ένα ανεκτίμητο εργαλείο στην επιστημονική έρευνα και την τεχνολογία, λέει ο Alex Kuzmich, ένας φυσικός από το ινστιτούτο τεχνολογίας της Georgia.  

Από το γραφείο Βιολογικών και Φυσικών ερευνών της NASA προσφέρθηκε πρόσφατα στον Kuzmich και τους συνεργάτες του μια χρηματοδότηση για να υποστηρίξουν την έρευνά τους. Ο Kuzmich ασχολείται με τη μελέτη της κβαντικής διεμπλοκής εδώ και 10 χρόνια και πρόσφατα άρχισε να ασχολείται με τη χρήση της στα ατομικά ρολόγια. 

Στον Einstein δεν άρεσε ποτέ η διεμπλοκή. Έμοιαζε να αντιβαίνει σε μια κεντρική θέση της ειδικής σχετικότητας. Ότι τίποτα δηλαδή, ούτε και η πληροφορία, θα μπορούσε να διαδίδεται με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός. Στην κβαντομηχανική δεχόμαστε ότι όλες οι δυνάμεις της φύσης ασκούνται μέσω ανταλλαγής κατάλληλων σωματιδίων, όπως είναι τα φωτόνια, και συνεπώς τα σωματίδια αυτά πρέπει να υπακούουν στο κοσμικό όριο της ταχύτητας του φωτός. Έτσι μια δράση "εδώ" δεν μπορεί να φέρνει αποτέλεσμα σ' ένα άλλο μέρος ταχύτερα από το χρόνο που θα χρειαζόταν το φως για να καλύψει την απόσταση αυτή στο κενό. 

Δύο όμως διαπλεγμένα σωματίδια, εμφανίζονται να επηρεάζει το ένα το άλλο ακαριαία, ανεξάρτητα αν βρίσκονται στο ίδιο δωμάτιο σε δύο απομακρυσμένα μέρη του σύμπαντος. Μοιάζουν στ' αλήθεια σαν φαντάσματα. 

Η κβαντική διεμπλοκή συμβαίνει όταν δύο ή περισσότερα σωματίδια αλληλεπιδρούν κατά τέτοιο τρόπο ώστε η μοίρα του ενός είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με του άλλου. Είναι δηλαδή αδύνατο να περιγράψουμε μαθηματικά την κατάσταση καθενός σωματιδίου ανεξάρτητα από τα άλλα. Συλλογικά αποτελούν όλα μαζί μια κβαντική κατάσταση. 

Εικόνα άνω: Κάνοντας μια μέτρηση στο ένα διαπλεγμένο σωματίδιο, επηρεάζονται ακαριαία οι ιδιότητες του άλλου

Συχνά τα δύο διαπλεγμένα σωματίδια πρέπει να έχουν έχουν αντίθετες τιμές για κάποια ιδιότητά τους - για παράδειγμα αν το σπιν του ενός έχει κατεύθυνση προς τα άνω, του άλλου πρέπει να έχει προς τα κάτω. Υποθέστε ότι μετράτε ένα από τα διαπλεγμένα σωματίδια, και κατά την μέτρηση προκύπτει το σπιν του προς τα επάνω. Αυτό κάνει τον άλλο διαπλεγμένο συνεταίρο του να αποκτήσει ακαριαία σπιν προς τα κάτω. Κάνοντας μια μέτρηση "εδώ" επηρεάσατε ακαριαία το άλλο σωματίδιο "εκεί' ακόμη και αν αυτό βρίσκεται εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά. 

Ενώ οι φυσικοί και οι φιλόσοφοι καταπιάνονται με τη φύση της αιτιότητας και τη δομή του σύμπαντος, κάποιοι φυσικοί ασχολούνται με το να βάλουν τη διεμπλοκή σε εφαρμογές όπως η "τηλεμεταφορά ατόμων" ή για να παράγουν κρυπτογραφικούς κώδικες απαραβίαστους. 

Τα ατομικά ρολόγια μοιάζουν επίσης να ωφελούνται. "Η διεμπλοκή των ατόμων σ' ένα ατομικό ρολόι ελαττώνει τις ενδογενείς αβεβαιότητες του συστήματος" εξηγεί ο Kuzmich. 

Στην καρδιά κάθε ατομικού ρολογιού βρίσκεται ένα νέφος ατόμων, συνήθως κεσίου ή ρουβιδίου. Οι ταλαντώσεις μεταξύ των καταστάσεων των ατόμων αυτών παίζουν τον ίδιο ρόλο όπως τα παλιά εκκρεμή. Τικ-τακ-τικ-τακ. Μια δέσμη λέιζερ που διαπερνά το νέφος μετράει τις ταλαντώσεις και τις χρησιμοποιεί για τη μέτρηση του χρόνου. Έτσι κάπως δουλεύει ένα ατομικό ρολόι.  

Εικόνα άνω: Τα λέιζερ είναι αναπόσπαστα μέρη των ατομικών ρολογιών. Τόσο στα συμβατικά όσο και σ' αυτά με διεμπλοκή

Στην παραπάνω εικόνα που εικονίζεται ένα ατομικό ρολόι-συντριβάνι, αέριο ατόμων κεσίου εισάγεται σ' ένα θάλαμο κενού. 6 δέσμες λέιζερ κατευθύνονται υπό ορθή γωνία η μια προς την άλλη, προς το κέντρο του θαλάμου. Τα λέιζερ σπρώχνουν ήρεμα τα άτομα του κεσίου και τα παγιδεύουν ώστε να σχηματίσουν μια μικρή σφαίρα. Κατά τη διαδικασία του σχηματισμού της σφαίρας τα λέιζερ επιβραδύνουν την κίνηση των ατόμων και έτσι τα ψύχουν κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Δύο κατακόρυφα λέιζερ χρησιμοποιούνται για να σπρώξουν μαλακά τη σφαίρα προς τα επάνω (αυτή η δράση σαν του συντριβανιού έδωσε και το όνομα στο είδος αυτό του ρολογιού), και τότε όλα τα λέιζερ σβήνουν. Αυτή η μικρή ώθηση είναι ικανή να ανεβάσει τη σφαίρα σε ύψος περίπου ενός μέτρου περνώντας την μέσα από μια κοιλότητα μικροκυμάτων. Κάτω από την επίδραση της βαρύτητας, η σφαίρα πέφτει πάλι πίσω μέσα στην κοιλότητα μικροκυμάτων. 

Το ταξίδι αυτό της σφαίρας επάνω και κάτω διαρκεί περίπου 1 δευτερόλεπτο. Κατά τη διάρκεια του ταξιδιού, οι καταστάσεις των ατόμων μπορεί ν' αλλάζουν ή να μην αλλάζουν καθώς αλληλεπιδρούν τα άτομα με την ακτινοβολία μικροκυμάτων. Όταν το ταξίδι τους τελειώνει μια άλλη δέσμη λέιζερ κατευθύνεται προς τα άτομα. Τα άτομα εκείνα των οποίων η ατομική κατάσταση άλλαξε κατά την αλληλεπίδραση με τα μικροκύματα, εκπέμπουν φως (πρόκειται για το φαινόμενο του φθορισμού). Τα φωτόνια, δηλαδή τα μικροσκοπικά πακέτα φωτός που εκπέμπουν μετρούνται από έναν ανιχνευτή. 

Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται πολλές φορές ενώ το σήμα μικροκυμάτων στην κοιλότητα, σαρώνει διάφορες συχνότητες. Από όλες αυτές τις συχνότητες κάποια συντονίζεται με τα άτομα κεσίου αλλάζοντας τις καταστάσεις των περισσοτέρων εξ αυτών, μεγιστοποιώντας έτσι την ακτινοβολία που εκπέμπεται κατά τον φθορισμό των ατόμων. Η συχνότητα αυτή είναι η φυσική συχνότητα συντονισμού του κεσίου, ίση με 9,192,631,770 Hz. (Η συχνότητα αυτή είναι εκείνη που χρησιμοποιούμε και για τον ορισμό του δευτερολέπτου.) 

Ο συνδυασμός της ψύξης με λέιζερ και του φαινομένου του συντριβανιού μας επιτρέπει να παρατηρήσουμε τα άτομα για μεγαλύτερες χρονικές διάρκειες και συνεπώς να πετύχουμε πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια. Τα παραδοσιακά ρολόγια κεσίου χρησιμοποιούν άτομα σε θερμοκρασία δωματίου που κινούνται με αρκετές εκατοντάδες μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Επειδή τα άτομα κινούνται τόσο γρήγορα, ο χρόνος παρατήρησης περιορίζεται σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τα ρολόγια που περιγράψαμε με την ψύξη των λέιζερ, ρίχνουν τη θερμοκρασία των ατόμων σε λίγα εκατομμυριοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, κι έτσι η θερμική τους ταχύτητα περιορίζεται σε μερικά cm/sec. Τα ψυχρά άτομα ανεβαίνουν κατακόρυφα και περνάνε δύο φορές από την κοιλότητα μικροκυμάτων. Μια κατά την άνοδο και μια κατά την κάθοδο. Το αποτέλεσμα είναι ο χρόνος παρατήρησης να επιμηκύνεται περίπου σε ένα δευτερόλεπτο, αφού περιορίζεται μόνο από τη βαρύτητα που τραβάει τα άτομα προς το έδαφος. 

Ο μεγαλύτερος χρόνος παρατήρησης μας δίνει τη δυνατότητα να συντονίσουμε καλύτερα τη δέσμη μικροκυμάτων ώστε να απορροφηθεί από τα άτομα. Με τη σειρά του ο καλύτερος έλεγχος της συχνότητας συντονισμού οδηγεί σε μεγαλύτερη σταθερότητα και ακρίβεια το ατομικό ρολόι. 

"Τα καλύτερα ατομικά ρολόγια σήμερα είναι σταθερά κατά 1 στα 10¹⁵ μέρη" σημειώνει ο Kuzmich. Αυτό σημαίνει ότι ένας παρατηρητής θα πρέπει να παρατηρεί το ρολόι για 10¹⁵ δευτερόλεπτα ή αλλιώς για 30 εκατομμύρια χρόνια για να διαπιστώσει αν χάνει ή κερδίζει ένα δευτερόλεπτο.

η ακρίβεια ενός ατομικού ρολογιού εξαρτάται από μια σειρά παράγοντες, οι οποίοι περιλαμβάνουν τον αριθμό των ατόμων που χρησιμοποιούνται. Όσο περισσότερα άτομα τόσο καλύτερα. Σ ' ένα συνηθισμένο ατομικό ρολόι, η ακρίβεια είναι ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα του αριθμού των ατόμων. Έτσι, έχοντας 4 φορές περισσότερα άτομα η ακρίβεια θα είναι διπλάσια. Σ' ένα διαπλεγμένο ατομικό ρολόι όμως, η βελτίωση είναι απευθείας ανάλογη προς τον αριθμό των ατόμων. 4 φορές περισσότερα άτομα σημαίνει 4 φορές καλύτερο ρολόι. 

Χρησιμοποιώντας άφθονα άτομα θα ήταν δυνατόν να φτιάξουμε ένα ρολόι με μέγιστη διεμπλοκή, σταθερό κατά 1 μέρος στα 10¹⁸  λέει ο Kuzmich. Θα έπρεπε να περιμένετε αυτό το ρολόι 30 δισεκατομμύρια χρόνια για να κερδίσει ή να χάσει ένα δευτερόλεπτο.

Ο Kuzmich σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει τα λέιζερ που ήδη υπάρχουν στα ατομικά ρολόγια για να δημιουργήσει τη διεμπλοκή. 

"Θα μετρήσουμε τη φάση της δέσμης λέιζερ καθώς περνάει μέσα από το νέφος των ατόμων" εξηγεί. Μετρώντας τη φάση μπορούμε να δημιουργήσουμε διεμπλοκή στα άτομα. 

Πόσο γρήγορα θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε ένα διαπλεγμένο ρολόι, είναι δύσκολο να προβλεφτεί, προειδοποιεί ο Kuzmich. Η έρευνα βρίσκεται μόλις στο στάδιο διερεύνησης και επίδειξης του φαινομένου. Η δημιουργία ενός τέτοιου ρολογιού απέχει πιθανότατα αρκετά χρόνια.