物理學家發現了一種全新的時間測量方法

在我們這個充滿滴答作響的時鐘和擺動擺的世界里，確定時間的流逝是計算“過去”和“現在”之間的秒數的簡單例子。

然而，在嗡嗡聲電子的量子尺度上，“然后”并不總是可以預測的。更糟糕的是，“現在”經常模糊成一團模糊的陰霾。秒表在某些情況下根本不起作用。

根據瑞典烏普薩拉大學研究人員 2022 年的一項研究，可以在量子霧本身的形狀中找到潛在的解決方案。

他們對里德伯格態的波狀性質的實驗揭示了一種不需要精確起點的新型時間測量方法。

里德堡原子是粒子王國的過度膨脹的氣球。這些原子用激光而不是空氣膨脹，包含處于極高能量狀態的電子，在遠離原子核的地方運行。

當然，并不是每個激光器的泵浦都需要將原子膨脹到卡通般的比例。事實上，激光器通常用于將電子搔癢到更高的能量狀態，以用于各種用途。

在某些應用中，可以使用第二個激光器來監測電子位置的變化，包括時間的流逝。這些 '泵探頭“技術可用于測量某些超快電子設備的速度。

將原子誘導到里德堡態是一個工程師的實用技巧，尤其是在設計方面新型組件為量子計算機.毋庸置疑，物理學家已經積累了大量關于電子在進入里德堡態時如何移動的信息。

然而，作為量子動物，它們的動作不像珠子在小算盤上滑來滑去，而更像是輪盤賭桌上的一個夜晚，球的每一次滾動和跳躍都被擠進了一場機會游戲中。

這種里德伯格電子輪盤賭狂野游戲背后的數學規則書被稱為里德伯格波包。

就像實際波一樣，在一個空間中有多個里德堡波包漣漪會產生干擾，從而產生獨特的漣漪模式。

將足夠多的 Rydberg 波包扔進同一個原子池，這些獨特的模式將分別代表波包相互演變所需的不同時間。

這組實驗背后的物理學家正是著手測試這些時間的“指紋”，表明它們足夠一致和可靠，可以作為量子時間戳的一種形式。

他們的研究包括測量激光激發的氦原子的結果，并將他們的發現與理論預測相匹配，以展示他們的標志性結果如何在一段時間內發揮作用。

“如果你正在使用計數器，你必須定義零。你會在某個時候開始計數，“領導該團隊的瑞典烏普薩拉大學物理學家 Marta Berholts 解釋說新科學家在 2022 年。

“這樣做的好處是你不必啟動時鐘——你只需查看干擾結構并說'好吧，已經過了 4 納秒。'

進化的里德堡波包指南可以與其他形式的泵浦探針光譜結合使用，這些光譜可以在有時不太清楚或太不方便測量時在很小的尺度上測量事件。

重要的是，這些指紋都不需要將過去和現在作為時間的起點和終點。這就像測量一個不知名的短跑運動員與許多以固定速度跑步的競爭對手的比賽。

通過在泵浦探針原子樣本中尋找干擾里德堡態的特征，技術人員可以觀察到轉瞬即逝的事件的時間戳，僅為 1.7 萬億分之一秒。

未來的量子觀察實驗可能會用其他原子代替氦，甚至使用不同能量的激光脈沖，以擴大時間戳指南以適應更廣泛的條件。

這項研究發表在物理評論研究.

本文的早期版本發表于 2022 年 10 月。

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