Физики из MIT добились прорыва в точности атомных часов

Физики из MIT добились прорыва в точности атомных часов, разработав квантово-улучшенную технику спектроскопии, которая позволяет оптическим решёточным часам превзойти фундаментальные пределы квантового шума. Их исследование, опубликованное в журнале Nature 8 октября 2025 года, демонстрирует, как перепутывание сотен атомов иттэрбия может удвоить точность хронометрических устройств.

Революционная техника квантового улучшения

Исследовательская группа под руководством Владана Вулетича из Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института (MIT) разработала метод, называемый «глобальная фазовая спектроскопия», который использует квантовую запутанность для снижения квантового шума — фундаментального ограничения, затрудняющего обнаружение колебаний атомов. Прорыв заключается в запутывании сотен атомов иттербия в оптическом резонаторе, сформированном изогнутыми зеркалами, где лазерный свет отражается тысячи раз, создавая квантовые корреляции между атомами.

В отличие от традиционных атомных часов, отслеживающих колебания цезиевых атомов с частотой 10 миллиардов раз в секунду, новые оптические атомные часы наблюдают за атомами иттербия, которые «тикают» 100 триллионов раз в секунду — в 10 000 раз быстрее микроволновых частот. Квантовое улучшение позволяет этим часам достигать метрологического выигрыша в 2,4 децибела по сравнению со стандартным квантовым пределом, а также улучшения чувствительности к шуму лазера на 4,0 децибела.

Преодоление квантового шумового барьера

Инновация заключается в использовании того, что ранее учёные считали несущественным: глобальной фазы, которая накапливается при взаимодействии лазерного света со спутанными атомами. «Можно подумать, что мы ничего не сделали», — объяснил Вулетич. «Вы получаете эту глобальную фазу атомов, которую обычно считают несущественной. Но эта глобальная фаза содержит информацию о частоте лазера».

Методика использует сложный подход, называемый вращательным эхом, чтобы компенсировать неоднородности в связи между светом и атомами, сохраняя квантовую когерентность во всём атомном ансамбле. Исследователи также внедрили стратегию дифференциального измерения с подавлением шума, которая симметрично кодирует фазовую информацию в двух состояниях ядерного спина, эффективно подавляя ошибки общего режима и одновременно усиливая истинный атомный сигнал.

Преобразующие приложения на горизонте

Повышенная точность может произвести революцию в фундаментальных исследованиях физики и их практических применениях. «С помощью этих часов люди пытаются обнаружить тёмную материю и тёмную энергию, проверить, действительно ли существует только четыре фундаментальные силы, а также выяснить, могут ли такие часы предсказывать землетрясения», — отметил Вулетич. Масштабируемость метода и его устойчивость к экспериментальным погрешностям делают его перспективным для создания портативных атомных часов, которые могут быть использованы для различных научных измерений.

Исследование основывается на предыдущей работе команды в 2020 году, когда они впервые показали, что квантовая запутанность может улучшить точность атомных часов, по сути перераспределяя неопределённость измерений, чтобы «тикающий» атом становился более отчётливым. Последнее достижение успешно расширяет эти методы квантового усиления на оптическую область, где атомы колеблются на гораздо более высоких частотах, чем в традиционных микроволновых системах.