物理学家发现了一种全新的时间测量方法

在我们这个充满滴答作响的时钟和摆动摆的世界里，确定时间的流逝是计算“过去”和“现在”之间的秒数的简单例子。

然而，在嗡嗡声电子的量子尺度上，“然后”并不总是可以预测的。更糟糕的是，“现在”经常模糊成一团模糊的阴霾。秒表在某些情况下根本不起作用。

根据瑞典乌普萨拉大学研究人员 2022 年的一项研究，可以在量子雾本身的形状中找到潜在的解决方案。

他们对里德伯格态的波状性质的实验揭示了一种不需要精确起点的新型时间测量方法。

里德堡原子是粒子王国的过度膨胀的气球。这些原子用激光而不是空气膨胀，包含处于极高能量状态的电子，在远离原子核的地方运行。

当然，并不是每个激光器的泵浦都需要将原子膨胀到卡通般的比例。事实上，激光器通常用于将电子搔痒到更高的能量状态，以用于各种用途。

在某些应用中，可以使用第二个激光器来监测电子位置的变化，包括时间的流逝。这些 '泵探头“技术可用于测量某些超快电子设备的速度。

将原子诱导到里德堡态是一个工程师的实用技巧，尤其是在设计方面新型组件为量子计算机.毋庸置疑，物理学家已经积累了大量关于电子在进入里德堡态时如何移动的信息。

然而，作为量子动物，它们的动作不像珠子在小算盘上滑来滑去，而更像是轮盘赌桌上的一个夜晚，球的每一次滚动和跳跃都被挤进了一场机会游戏中。

这种里德伯格电子轮盘赌狂野游戏背后的数学规则书被称为里德伯格波包。

就像实际波一样，在一个空间中有多个里德堡波包涟漪会产生干扰，从而产生独特的涟漪模式。

将足够多的 Rydberg 波包扔进同一个原子池，这些独特的模式将分别代表波包相互演变所需的不同时间。

这组实验背后的物理学家正是着手测试这些时间的“指纹”，表明它们足够一致和可靠，可以作为量子时间戳的一种形式。

他们的研究包括测量激光激发的氦原子的结果，并将他们的发现与理论预测相匹配，以展示他们的标志性结果如何在一段时间内发挥作用。

“如果你正在使用计数器，你必须定义零。你会在某个时候开始计数，“领导该团队的瑞典乌普萨拉大学物理学家 Marta Berholts 解释说新科学家在 2022 年。

“这样做的好处是你不必启动时钟——你只需查看干扰结构并说'好吧，已经过了 4 纳秒。'

进化的里德堡波包指南可以与其他形式的泵浦探针光谱结合使用，这些光谱可以在有时不太清楚或太不方便测量时在很小的尺度上测量事件。

重要的是，这些指纹都不需要将过去和现在作为时间的起点和终点。这就像测量一个不知名的短跑运动员与许多以固定速度跑步的竞争对手的比赛。

通过在泵浦探针原子样本中寻找干扰里德堡态的特征，技术人员可以观察到转瞬即逝的事件的时间戳，仅为 1.7 万亿分之一秒。

未来的量子观察实验可能会用其他原子代替氦，甚至使用不同能量的激光脉冲，以扩大时间戳指南以适应更广泛的条件。

这项研究发表在物理评论研究.

本文的早期版本发表于 2022 年 10 月。

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