A kvantumóra, ami az univerzum születésétől máig sem tévedne egy másodpercet sem

Az atomórák már eddig is az egyik legpontosabb időmérő eszköznek számítottak: az időt az atomok rezgésszámának alapján mérik, a frekvenciákat másodpercekké, azokat pedig nagyobb időegységekké alakítva. A kutatók azonban most egy ennél is kifinomultabb elven működő eszközt dolgoztak ki: a kvantumórát, amely új szintre emeli az időmérést.

Hogyan alkotják meg a tökéletes órát?

A tökéletes időmérés régóta foglalkoztatja a tudósokat. Most pedig a bécsi TU Wien, a svédországi Chalmers Egyetem és a Máltai Egyetem kutatói olyan kvantumórát dolgoztak ki, amiről a Nature Physics is beszámolt: Elméletileg több nagyságrenddel is felülmúlhatja a ma használt atomórák pontosságát.

Marcus Huber, a bécsi Atomic institute tudósa úgy magyarázza el, hogy minden órának két eleme van: Először is szükség van egy egyenletes időalap-generátor ami az idő bázisaként szolgál, mint például az analóg órában a másodpercmutató, ami a kvantumóra esetében folyamatosan rezgő kvantumrészecskék. Emellett kell egy számláló, ami számon tartja, leolvashatóvá teszi hogy hányszor ismétlődött meg ez az alap, mint az órában percmutató vagy a kvantumórában az a mechanizmus, amely rögzíti, hányszor ismétlődött a kvantumrészecske mozgása.

Ez a két elem, a rezgő alap és a számláló együtt teszi lehetővé, hogy az időt egyértelműen és következetesen mérjük. A kvantumóra különlegessége abban rejlik, hogy ezt a jól ismert szerkezetet egészen új szinten, a kvantumrészecskék világában valósítja meg.

Míg a jelenlegi csúcstechnológiás atomórák kb. 300 millió év alatt egyetlen másodpercet tévednek, a kvantumórák elméletileg akár trilliószor pontosabbak is lehetnek, azaz gyakorlatilag eltérés nélkül képesek mérni az idő múlását. Ez nemcsak egy fizikai rekord, hanem azt is jelenti, hogy a kvantumórák érzékenyek lehetnek olyan apró változásokra is, mint a gravitációs tér mikroszkopikus eltérései vagy akár az idő lassulása különböző téridő-pontokon.

Vannak olyan becslések, hogy ilyen órák egy teljes világegyetemnyi kor alatt sem tévednének egyetlen másodpercet, ha egyszer tényleg megépülnek.

A pontatlanság oka, az entrópia

A részecske mozgása olyan, mint egy tökéletesen csendes mutató: amíg nem nézünk rá, nem zavar semmit. De amikor meg akarjuk mondani, „hol tart” az idő, akkor mérni kell, és ez már kis torzulással, azaz entrópiával jár. Ez a mérési „zaj” az, ami pontatlanságot okoz.

Egy egyszerű példa: Képzelj el egy tökéletesen csendes szobát, ahol van egy nagyon ingaóra. Amíg nem figyeled, az inga zajtalanul leng. De ha odalépsz, hogy megnézd, mennyit mutat, meglöksz egy széket, megrezzen a padló, kilélegzel, ezzel megváltoztatod a szoba állapotát. Ez a kis változás a kvantumvilágban entrópiát jelent. Másszóval: a különböző mérések során keletkező termodinamikai folyamatok -például a hő és a mozgás- által generált entrópia csökkentése a kulcsa a minél nagyobb pontosság elérésének.

Az új megközelítés

A kutatók erre alkalmaztak egy formabontó megközelítést: Két külön időskálát használtak – egy gyorsat és egy lassút. Mint az analóg órán a perc és másodpercmutató csak a kísérletben egy kvantumos és egy klasszikus időskálát kombináltak. A kvantumos „mutató” hangtalanul mozog, a klasszikus „számláló” pedig csak ritkán rögzíti, mennyi idő telt el.

A mérés alapjául gyorsan rezgő kvantumrészecskék szolgálnak, amik folyamatosan kvantumállapotban haladnak, és csak bizonyos pillanatokban történik meg a mérés, nem folyamatosan.
Szóval a trükk az, hogy nem követik a részecskét, csak a végén néznek rá, amikor egy kijelölt pontba ér a méréshez. Így útközben nem visznek be zavaró tényezőket, csak egyetlen ponton avatkoznak be.

Az elért pontosság óriási mértékű, még az eddigi kikísérletezett atomórákon is túlszárnnyal, amik 300 millió év alatt 1 másodpercet tévednek.

Mihez kezdenek egy szuperpontos órával?

A kvantumórák elképesztő pontossága nemcsak elméleti bravúr, hanem rengeteg gyakorlati alkalmazás alapja lehet. Ilyen órák segíthetnek a GPS-rendszerek pontosságának javításában, ahol akár egy nanoszekundumos eltérés is több méteres helymeghatározási hibát jelenthet. A földtudományban is hasznosak lehetnek, például a tektonikus mozgások vagy a gravitációs tér változásainak megfigyelésében. Minden olyan kutatásban, ahol az időmérés pontossága a felfedezés kulcsa, ezek az eszközök új távlatokat nyithatnak.

Kiemelt kép: Ye group & Brad Baxley / Wikimedia Commons

Ez is érdekelhet:

• Ezért vallana kudarcot a fénysebességgel való űrutazás
• Hány műhold fér el a Föld körül, és valóban szükségünk van ennyire?
• Lehetséges, hogy az univerzum kezdete nem az ősrobbanás volt?