Gli orologi atomici sono i cronometristi più precisi al mondo. Questi squisiti strumenti utilizzano i laser per misurare le vibrazioni degli atomi, che oscillano a frequenza costante, come molti pendoli microscopici che oscillano in sincronia. I migliori orologi atomici del mondo tengono il tempo con una precisione tale che, se avessero corso dall'inizio dell'universo, sarebbero fuori solo di circa mezzo secondo oggi.

Ancora, potrebbero essere ancora più precisi. Se gli orologi atomici potessero misurare più accuratamente le vibrazioni atomiche, sarebbero abbastanza sensibili da rilevare fenomeni come la materia oscura e le onde gravitazionali. Con orologi atomici migliori, gli scienziati potrebbero anche iniziare a rispondere ad alcune domande strabilianti, ad esempio quale effetto potrebbe avere la gravità sul passare del tempo e se il tempo stesso cambia con l'invecchiamento dell'universo.

Ora un nuovo tipo di orologio atomico progettato dai fisici del MIT potrebbe consentire agli scienziati di esplorare tali questioni e forse rivelare una nuova fisica.

I ricercatori riferiscono sulla rivista Natura che hanno costruito un orologio atomico che non misura una nuvola di atomi che oscillano casualmente, come misurano i progetti più all'avanguardia ora, ma invece atomi che sono stati quantisticamente entangled. Gli atomi sono correlati in un modo impossibile secondo le leggi della fisica classica, e ciò consente agli scienziati di misurare le vibrazioni degli atomi in modo più accurato.

La nuova configurazione può raggiungere la stessa precisione quattro volte più veloce degli orologi senza entanglement.

"Gli orologi atomici ottici potenziati dall'entanglement avranno il potenziale per raggiungere una migliore precisione in un secondo rispetto agli attuali orologi ottici all'avanguardia, ", afferma l'autore principale Edwin Pedrozo-Peñafiel, un postdoc nel Research Laboratory of Electronics del MIT.

Se gli orologi atomici all'avanguardia fossero adattati per misurare gli atomi entangled come fa la configurazione del team del MIT, il loro tempismo migliorerebbe in modo tale che, per tutta l'età dell'universo, gli orologi sarebbero meno di 100 millisecondi fuori.

Gli altri coautori del documento del MIT sono Simone Colombo, Chi Shu, Albert Adiyatullin, Zeyang Li, Enrique Mendez, Boris Braverman, Akio Kawasaki, Saisuke Akamatsu, Yanhong Xiao, e Vladan Vuletic, il professore di fisica Lester Wolfe.

Limite di tempo

Da quando gli umani hanno iniziato a seguire il passare del tempo, lo hanno fatto utilizzando fenomeni periodici, come il moto del sole nel cielo. Oggi, le vibrazioni negli atomi sono gli eventi periodici più stabili che gli scienziati possono osservare. Per di più, un atomo di cesio oscillerà esattamente alla stessa frequenza di un altro atomo di cesio.

Per mantenere il tempo perfetto, gli orologi dovrebbero idealmente tracciare le oscillazioni di un singolo atomo. Ma a quella scala, un atomo è così piccolo che si comporta secondo le misteriose regole della meccanica quantistica:quando misurato, si comporta come una moneta lanciata che solo se mediata su molti lanci fornisce le probabilità corrette. Questa limitazione è ciò che i fisici chiamano Limite Quantico Standard.

"Quando aumenti il ​​numero di atomi, la media data da tutti questi atomi va verso qualcosa che dia il valore corretto, "dice Colombo.

Ecco perché gli orologi atomici di oggi sono progettati per misurare un gas composto da migliaia di atomi dello stesso tipo, per ottenere una stima delle loro oscillazioni medie. Un tipico orologio atomico fa questo utilizzando prima un sistema di laser per racchiudere un gas di atomi ultraraffreddati in una trappola formata da un laser. Un secondo, laser molto stabile, con una frequenza prossima a quella delle vibrazioni degli atomi, viene inviato per sondare l'oscillazione atomica e quindi tenere traccia del tempo.

E ancora, il limite quantistico standard è ancora al lavoro, il che significa che c'è ancora qualche incertezza, anche tra migliaia di atomi, per quanto riguarda le loro frequenze individuali esatte. È qui che Vuletic e il suo gruppo hanno dimostrato che l'entanglement quantistico può aiutare. Generalmente, l'entanglement quantistico descrive uno stato fisico non classico, in cui gli atomi di un gruppo mostrano risultati di misurazione correlati, anche se ogni singolo atomo si comporta come il lancio casuale di una moneta.

Il team ha pensato che se gli atomi sono entangled, le loro oscillazioni individuali si stringerebbero attorno a una frequenza comune, con una deviazione minore che se non fossero impigliati. Le oscillazioni medie che misurerebbe un orologio atomico, perciò, avrebbe una precisione oltre il limite quantistico standard.

Orologi impigliati

Nel loro nuovo orologio atomico, Vuletic e i suoi colleghi intrecciano circa 350 atomi di itterbio, che oscilla alla stessa altissima frequenza della luce visibile, significa che ogni atomo vibra 100, 000 volte più spesso in un secondo del cesio. Se le oscillazioni dell'itterbio possono essere seguite con precisione, gli scienziati possono usare gli atomi per distinguere intervalli di tempo sempre più piccoli.

Il gruppo ha utilizzato tecniche standard per raffreddare gli atomi e intrappolarli in una cavità ottica formata da due specchi. Hanno quindi inviato un laser attraverso la cavità ottica, dove faceva il ping-pong tra gli specchi, interagendo con gli atomi migliaia di volte.

"È come se la luce fungesse da collegamento di comunicazione tra gli atomi, "Shu spiega. "Il primo atomo che vede questa luce modificherà leggermente la luce, e quella luce modifica anche il secondo atomo, e il terzo atomo, e attraverso molti cicli, gli atomi si conoscono collettivamente e iniziano a comportarsi allo stesso modo."

In questo modo, i ricercatori intrecciano quantisticamente gli atomi, e poi usa un altro laser, simile agli orologi atomici esistenti, per misurare la loro frequenza media. Quando il team ha condotto un esperimento simile senza coinvolgere gli atomi, hanno scoperto che l'orologio atomico con atomi entangled raggiungeva la precisione desiderata quattro volte più velocemente.

"Puoi sempre rendere l'orologio più preciso misurando più a lungo, "Vuletic dice. "La domanda è, quanto tempo occorre per raggiungere una certa precisione. Molti fenomeni devono essere misurati su tempi rapidi".

Dice che se gli orologi atomici all'avanguardia di oggi possono essere adattati per misurare atomi quantisticamente entangled, non solo terrebbero un tempo migliore, ma potrebbero aiutare a decifrare i segnali nell'universo come la materia oscura e le onde gravitazionali, e iniziare a rispondere ad alcune domande secolari.

"Mentre l'universo invecchia, cambia la velocità della luce? La carica dell'elettrone cambia?" Dice Vuletic. "Questo è ciò che puoi sondare con orologi atomici più precisi."