Eine neue Art von Atomuhr verwendet verschränkte Atome. Es würde höchstens 100 Millisekunden seit Beginn des Universums abweichen

Bei der Zeitmessung geht es darum, Schritte zu zählen. Sei es der Tropftropfen einer Wasseruhr, der Tic-Toc einer mechanischen Uhr oder der Schwingquarz einer Quarzuhr. Jede genaue Uhr basiert darauf, die Schritte von etwas Regelmäßigem und Periodischem zu zählen. Nichts ist perfekt regelmäßig, also hält keine Uhr die perfekte Zeit, aber unsere Zeitmesser werden sehr, sehr genau.

Zeit wird traditionell astronomisch gemessen, wie zum Beispiel der Auf- und Untergang der Sonne oder die Bewegung der Sterne und des Mondes. Es gab mehrere populäre Methoden, aber im 19. Jahrhundert wurde die Zeit mit dem sogenannten mittleren Sonnentag gemessen. Ein Tag ist nicht immer genau 24 Stunden lang. Während sich die Erde auf ihrer elliptischen Umlaufbahn bewegt, ändert sich ihre Geschwindigkeit um die Sonne geringfügig, wodurch der Tag je nach Jahreszeit etwas länger oder kürzer wird. Aber indem sie den Durchschnitt (insbesondere den Mittelwert) von Tagen über ein Jahr nehmen, könnten Astronomen einen gemeinsamen Standard definieren.

Als unsere mechanischen Uhren genauer wurden, wurde klar, dass der mittlere Sonnentag problematisch war. Die Rotation der Erde ist nicht konstant, sondern ändert sich aufgrund tektonischer Verschiebungen und aufgrund ihres Gravitationstanzes mit dem Mond, der Erde dreht sich mit der Zeit langsamer. Im Jahr 1956 wurde die Zeit also in Bezug auf die Umlaufbahn der Erde und nicht auf ihre Rotation definiert.

Eine Reihe von Atomuhren, mit denen die Zeit des US-Militärs gemessen wurde. Bildnachweis: US-Marineobservatorium

1967 haben wir uns ganz von der Astronomie entfernt, als die Länge einer Sekunde in Bezug auf eine Atomuhr neu definiert wurde. Die gemessene Schwingung basiert nicht auf einem Atom, sondern auf dem von einem Atom emittierten Licht. Atome erzeugen Licht, wenn ein Elektron von einem höheren Energiezustand in einen niedrigeren wechselt. Da die Energieniveaus in einem Atom quantisiert sind, wird Licht mit einer genauen Frequenz emittiert. 1967 wurde die Länge einer Sekunde festgelegt, indem eine spezifische Emission von Cäsium-133 als definiert wurdeExakt9.192.631.770 Hz. Dies ist der Standard, den wir heute noch verwenden.

Obwohl der moderne Standard offiziell genau ist, ist er es nichtGenau genommengenau. Zwei Atomuhren des gleichen Designs halten leicht unterschiedliche Zeiten. Durch den statistischen Vergleich von Atomuhren wissen wir, dass sie in dreißig Millionen Jahren auf etwa eine Sekunde genau sind. Das ist wahrscheinlich genau genug für den täglichen Gebrauch, aber für einige wissenschaftliche Zwecke nicht genau genug. Wenn wir genauere Uhren hätten, könnten wir damit alles von der Geologie bis zur Dunklen Energie studieren. Es besteht also ein ständiges Bestreben, einen neuen, genaueren Standard zu entwickeln.

Die Genauigkeit der Uhren wird immer besser. Quelle: Wikipedia

Die meisten Ansätze zielen auf rein optische Methoden ab, aber neue Arbeiten inNaturverwendet Atome in der Quantenverschränkung. Einer der Gründe, warum moderne Atomuhren nicht perfekt sind, ist, dass die Atome bei der Lichtemission zurückprallen, was die Frequenz des emittierten Lichts leicht verschiebt. Wenn das Atom während der Lichtemission vollkommen stationär gehalten werden könnte, dann wäre die Frequenz des Lichts exakt. Aber die Quantenmechanik hält die Position eines Atoms etwas unscharf, was bedeutet, dass die Frequenz des emittierten Lichts auch etwas unscharf ist. Dieser Effekt wird als Standardquantengrenze bezeichnet.

Um dieses Problem anzugehen, verwendet das Team einen Effekt, der als Quantenverschränkung bekannt ist. Indem sie Atome mithilfe von Lasern zusammendrücken, können sie die Atome dazu zwingen, auf einer Quantenebene zu interagieren, sodass eine Messung an einem Atom auch alle misst. Somit sind die Zustände dieser Atome verschränkt. Wenn ein anderer Laser verwendet wird, um ein Atom dazu zu bringen, Licht zu emittieren, tritt eine Kaskade auf, die die Atome miteinander synchronisiert. Das emittierte Licht ist daher viel genauer als die Standardquantengrenze.

Die statistische Analyse dieser neuen Uhr zeigt, dass sie über das Alter des Universums mit einer Genauigkeit von 100 Millisekunden funktionieren kann. Die Uhr ist so präzise, ​​dass sie testen könnte, ob universelle physikalische Konstanten ändern sich im Laufe der Zeit.

Unser Standard für die Zeitmessung wird sich nicht so schnell ändern, aber es ist klar, dass wir es besser machen können. Zu einem späteren Zeitpunkt werden wir eine genauere Methode anwenden. Wenn wir dies tun, könnte eine Uhr basierend auf Quantenverschränkung die Lösung sein. Wenn dies der Fall ist, verwenden unsere offiziellen Uhren Quantenverrücktheit, um die Quantenunschärfe zu überwinden.

Referenz:Edwin Pedrozo-Peñafiel et al. ' Verschränkung auf einem optischen Atomuhr-Übergang . 'Natur588 (2020): 414