Чтобы узнать, сколько времени прошло, обычным часам приходится считать повторяющиеся события: колебания маятника, кварца или переходы атомов между энергетическими уровнями. Физики из Уппсальского университета нашли принципиально другой подход. Разработанные ими квантовые часы ничего не считают, а определяют прошедшее время по уникальному рисунку, который возникает внутри возбуждённого атома.
В основе метода лежат атомы гелия, переведённые коротким лазерным импульсом в ридберговское состояние . При сильном возбуждении электрон оказывается значительно дальше от ядра и может одновременно участвовать в нескольких близких энергетических состояниях. Физики создают когерентную смесь множества подобных состояний, которую называют ридберговским волновым пакетом.
Отдельные части волнового пакета развиваются с немного разной скоростью и интерферируют друг с другом. В результате появляется сложный рисунок колебаний, который непрерывно меняется со временем. Исследователи назвали характерные фрагменты рисунка квазиуникальными сигнатурами биений, или QUBS. Каждый фрагмент работает почти как временной отпечаток: по форме сигнала можно определить, сколько времени прошло после создания волнового пакета.
Главное отличие от механических, кварцевых и даже атомных часов заключается в отсутствии счётчика. Прибору не требуется следить за каждым предыдущим колебанием, чтобы получить результат. Достаточно создать квантовое состояние, а позднее считать сформировавшийся рисунок и сопоставить его с расчётной картиной.
Для проверки идеи команда использовала второй лазерный импульс, который ионизировал возбуждённый атом гелия. Анализ энергии вылетевших электронов позволял увидеть меняющуюся интерференционную картину. Эксперимент охватывал задержки до 81 пикосекунды, а короткие участки измеренного сигнала физики сравнивали с теоретически рассчитанными вариантами. Опубликованное в Physical Review Research исследование оценивает точность определения времени примерно в восемь фемтосекунд. Одна фемтосекунда равна одной квадриллионной доле секунды.
Метод решает особенно неприятную проблему сверхбыстрой физики. В экспериментах с двумя лазерными импульсами исследователям часто требуется точно знать момент, когда отсчёт задержки равен нулю. Малейшая ошибка в положении оптических элементов постепенно смещает временную шкалу. Квантовый рисунок содержит информацию о прошедшем времени внутри самого сигнала, поэтому отдельный поиск нулевой точки становится необязательным.
Во время проверки квантовые часы обнаружили ошибку в обычной экспериментальной установке. При перемещении оптической линии механический столик задержки давал дрейф примерно в одну фемтосекунду на каждую пикосекунду изменения задержки. На длинном участке эксперимента расхождение достигало примерно 90 фемтосекунд. Причиной исследователи сочли небольшое нарушение юстировки механизма. Квантовый метод смог заметить погрешность именно благодаря сравнению экспериментального рисунка с рассчитанной эволюцией атома.
Разработка не предназначена для замены часов на смартфоне или мирового эталона секунды. Основная область применения связана с pump-probe-экспериментами, где физики запускают сверхбыстрый процесс одним лазерным импульсом и через чрезвычайно короткий промежуток исследуют результат вторым. Подобные установки позволяют наблюдать движение электронов, перестройку атомов и другие процессы, протекающие за фемтосекунды.
Авторы считают, что принцип можно адаптировать и для других систем. Высоковозбуждённые ридберговские состояния способны существовать значительно дольше исследованного в эксперименте интервала, а вместо гелия при других энергиях лазера потенциально подойдут неон, аргон, криптон или ксенон. Уппсальский университет сравнивает подход с измерительной лентой: человеку не приходится считать каждый миллиметр от начала, поскольку положение уже само показывает расстояние.
Важная оговорка касается возраста работы. Исследование квантовых часов опубликовано 18 октября 2022 года, а не в 2026 году. Новая волна публикаций в августе 2026 года вновь привлекла внимание к эксперименту, но нового научного результата команда в рамках нынешних сообщений не представляла.