Orologi entangled per capire materia oscura, gravità e tempo

Gli orologi atomici sono gli strumenti più precisi al mondo. Questi apparati misurano le vibrazioni degli atomi, che oscillano a una frequenza costante, con i laser. I migliori orologi atomici al mondo misurano il tempo con una tale precisione che, se avessero funzionato dall’inizio dell’universo, oggi sbaglierebbero solo di circa mezzo secondo.
Tuttavia, potrebbero essere molto 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 più avanzati, gli scienziati potrebbero iniziare a rispondere ad alcune domande, come quale effetto potrebbe avere la gravità sul passare del tempo e se il tempo stesso cambia con l’invecchiare dell’universo.
I fisici del MIT hanno realizzato un orologio atomico che potrebbe permettere agli scienziati di esplorare le questioni ancora aperte e possibilmente rivelare una nuova fisica.
I ricercatori scrivono sulla rivista Nature di aver realizzato un orologio atomico che misura non una nuvola di atomi che oscillano casualmente, come misurano ora i progetti di orologi atomici più avanzati, ma atomi che sono stati quanticamente correlati (entangled). Gli atomi sono correlati in un modo impossibile secondo le leggi della fisica classica e questo consente agli scienziati di misurare le vibrazioni degli atomi in modo più accurato.
La nuova configurazione può raggiungere la stessa precisione quattro volte più velocemente degli orologi senza entanglement.
“Gli orologi atomici ottici potenziati dall’entanglement avranno il potenziale per raggiungere una precisione migliore in un secondo rispetto agli attuali orologi ottici all’avanguardia”, afferma l’autore principale Edwin Pedrozo-Peñafiel, postdoc del Research Laboratory of Electronics del MIT.
Se gli orologi atomici allo stato dell’arte venissero adattati per misurare atomi entangled come fa il progetto del team del MIT, il loro tempismo migliorerebbe in modo tale che, durante l’intera età dell’universo, gli orologi perderebbero meno di 100 millisecondi.
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, e  il professore di fisica Lester Wolfe.
Da quando gli uomini hanno iniziato a misurare il passare del tempo, lo hanno fatto utilizzando fenomeni periodici, come il movimento del Sole attraverso la volta celeste. Oggi, le vibrazioni negli atomi sono gli eventi periodici più stabili che gli scienziati possono misurare. Inoltre, un atomo di cesio oscillerà esattamente alla stessa frequenza di un altro atomo di cesio.
Per misurare il tempo alla perfezione, gli orologi dovrebbero teoricamente seguire 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. 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 dà il valore corretto”, dice Colombo.
Questo è il motivo per cui gli orologi atomici odierni sono progettati per misurare un gas composto da migliaia di atomi dello stesso tipo, al fine di ottenere una stima delle loro oscillazioni medie. Un orologio atomico tipico utilizza un sistema di laser per intrappolare un gas di atomi ultra raffreddati in una trappola. Un secondo laser molto stabile, con una frequenza prossima a quella delle vibrazioni degli atomi, viene inviato per sondare l’oscillazione atomica e quindi misurare i tempo.
Eppure, il limite quantico standard è ancora presente, il che significa che c’è ancora qualche incertezza, anche misurando le frequenze di migliaia di atomi. È qui che Vuletic e il suo gruppo hanno dimostrato che l’entanglement quantistico può essere molto utile. In generale, 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 ipotizzato che se gli atomi fossero correlati, le loro oscillazioni individuali si sarebbero fissate attorno a una frequenza comune, con una deviazione minore rispetto a un gruppo di atomi non correlati. Le oscillazioni medie che un orologio atomico misurerebbe, quindi, avrebbero una precisione oltre il limite quantico standard.
Nel loro nuovo orologio atomico, Vuletic e i suoi colleghi intrappolano 350 atomi di itterbio, che oscilla alla stessa altissima frequenza della luce visibile, il che significa che ogni atomo vibra 100.000 volte più velocemente in un secondo rispetto al cesio. Se le oscillazioni dell’itterbio possono essere tracciate con precisione, gli scienziati possono utilizzare 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 fascio laser attraverso la cavità ottica, dove ha rimbalzato tra gli specchi, interagendo con gli atomi migliaia di volte.
“È come se la luce fungesse da collegamento di comunicazione tra gli atomi”, spiega Shu. “Il primo atomo che vede questa luce modificherà leggermente la luce, e quella luce modifica anche il secondo e il terzo atomo, e attraverso molti cicli, gli atomi si conoscono collettivamente e iniziano a comportarsi in modo simile”.
In questo modo, i ricercatori intrappolano gli atomi in modo quantistico e quindi utilizzano un altro laser, in maniera simile agli orologi atomici esistenti, per misurare la loro frequenza media. Quando il team ha eseguito un esperimento simile senza correlare gli atomi, ha scoperto che l’orologio atomico con gli atomi correlati è quattro volte più preciso.
“Puoi sempre rendere l’orologio più preciso misurando più a lungo”, afferma Vuletic. “La domanda è: quanto tempo ci vuole per raggiungere una certa precisione. Molti fenomeni devono essere misurati su scale temporali veloci”.
Se gli orologi atomici allo stato dell’arte possono essere adattati per misurare atomi in entanglement quantistico, non solo manterrebbero un maggiore precisione, ma potrebbero contribuire a decifrare i misteri nell’universo come la materia oscura e le onde gravitazionali rispondendo ad alcune domande secolari.
“Con l’invecchiamento dell’universo, la velocità della luce cambia? La carica dell’elettrone cambia?” Si chiede Vuletic. “Questo è quello che puoi sondare con orologi atomici più precisi”.
Fonte: https://phys.org/news/2020-12-atomic-clock-precisely.html