Gli orologi atomici sono una classe di orologi che sfruttano le frequenze di risonanza degli atomi per mantenere il tempo con elevata precisione. Sebbene questi orologi siano diventati sempre più avanzati e precisi nel corso degli anni, le versioni esistenti potrebbero non utilizzare al meglio le risorse su cui fanno affidamento per tenere il tempo.

I ricercatori del California Institute of Technology hanno recentemente esplorato la possibilità di utilizzare tecniche di calcolo quantistico per migliorare ulteriormente le prestazioni degli orologi atomici. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , introduce un nuovo schema che consente l'uso simultaneo di più orologi atomici per tenere il tempo con una precisione ancora maggiore.

"Gli orologi atomici hanno decenni, ma le loro prestazioni migliorano ogni anno", ha detto a Phys.org Adam Shaw, coautore dell'articolo.

"Allo stesso tempo, negli ultimi anni c'è stata una forte spinta nella comunità della fisica atomica per sviluppare i cosiddetti computer quantistici, dispositivi che controllano gli stati quantistici dei singoli atomi per effettuare calcoli oltre le capacità di un normale computer. Mentre orologi e computer sono apparentemente molto diversi, negli ultimi anni le persone si sono rese conto che possono essere altamente sinergici."

L’obiettivo principale del recente studio di Shaw e dei suoi colleghi era utilizzare alcuni degli strumenti alla base del funzionamento dei computer quantistici per migliorare gli orologi atomici. Per fare ciò, i ricercatori hanno realizzato sperimentalmente una proposta teorica vecchia di 10 anni, che prevede l’uso simultaneo di più orologi per tenere il tempo meglio di quanto farebbe un singolo orologio, garantendo che ciascuno di essi registri il passare del tempo a velocità diverse.

"L'idea è fondamentalmente la stessa di avere più lancette su un orologio:una lancetta delle ore per tenere traccia dei cambiamenti di orario più lunghi e una lancetta dei minuti per tenere traccia con maggiore precisione dei cambiamenti di orario più brevi", ha spiegato Shaw. "Quello che abbiamo fatto è essenzialmente costruire un orologio a più lancette su scala atomica. Per fare ciò, dimostriamo un nuovo modo di controllare lo stato elettronico dei singoli atomi con altissima fedeltà, modificando le loro posizioni in un raggio laser."

I ricercatori hanno utilizzato la tecnica proposta per controllare i singoli atomi negli orologi atomici. Nello specifico, hanno assicurato che ciascun atomo sperimentasse effettivamente lo scorrere del tempo più lentamente o più velocemente, a seconda della sua posizione dinamica rispetto al raggio laser applicato.

"Gli attuali orologi più precisi al mondo funzionano misurando il passaggio del tempo con un grande insieme di atomi, ma dimostriamo che il controllo individuale potrebbe portare a prestazioni migliori", ha detto Shaw. "Più in generale, il nostro lavoro mostra il potere di combinare le caratteristiche dei computer quantistici e dei sensori quantistici, un'unione alla quale molti altri gruppi stanno lavorando per raggiungere e migliorare."

I primi risultati raccolti da Shaw e dai suoi colleghi sono molto incoraggianti e mettono in luce il potenziale delle tecniche di calcolo quantistico nella ricerca metrologica. In futuro, questo studio potrebbe ispirare lo sviluppo di altri orologi ottici quantistici programmabili che forniscano prestazioni ancora migliori.

Una settimana dopo la pubblicazione dell'articolo da parte del team, un altro gruppo di ricerca guidato da Shimon Kolkowitz a Berkeley ha pubblicato un articolo in cui tentava di realizzare un orologio a più lancette simile in Physical Review X . Il loro orologio multilancette è stato creato utilizzando una tecnica diversa, ma evidenzia anche i vantaggi di fare affidamento su più di un orologio atomico alla volta.

"Nel nostro recente articolo, abbiamo controllato più orologi atomici individuali, ma gli orologi stessi erano relativamente semplici:solo singoli atomi", ha aggiunto Shaw.

"Stiamo ora lavorando per utilizzare l'entanglement quantistico tra i singoli atomi all'interno di ciascun orologio in modo che ogni 'lancetta' del nostro orologio atomico diventi più precisa. Ciò dovrebbe migliorare le prestazioni dell'orologio e sarebbe un vero ibrido tra un computer quantistico e un orologio atomico. "

Ulteriori informazioni: Adam L. Shaw et al, Metrologia multi-insieme mediante programmazione di rotazioni locali con movimenti di atomi, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02323-w.

Xin Zheng et al, Riduzione dell'instabilità di un orologio a reticolo ottico utilizzando più insiemi atomici, Revisione fisica X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.011006.

Informazioni sul giornale: Fisica della Natura , Revisione fisica X

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