Od wielu dekad do precyzyjnego ustalania czasu wykorzystuje się na zegary atomowe, „tykające” w rytm oscylacji elektronowych w pojedynczych atomach cezu, strontu lub iterbu. W latach 90. skok jakościowy przyniosły prace John Halla i Theodora Hänscha, którzy przez rozwój spektroskopii laserowej (metoda optycznego grzebienia częstotliwości), znacząco usprawnili pomiar częstotliwości rezonansowych atomu. Teraz fizycy z Uniwersytetu Kolorado w Boulder próbują postawić kolejny krok, konstruując optyczny zegar atomowy bazujący już nie na jednym, lecz na wielu atomach pozostających w stanie splątanym.
Możliwości obecnych zegarów atomowych ograniczają obostrzenia wynikające z samej mechaniki kwantowej, na czele z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Osobne „tyknięcia” pojedynczego nie są identyczne, a działanie zegara w pewnym sensie wymaga wyciągnięcia średniej z analizy ogromnej liczby zarejestrowanych oscylacji.
Żeby przebić tę fizyczną granicę, zespół Adama Kaufmana pracuje na zbiorach atomów splątanych kwantowo. Takie układy dzielą swój stan, zachowując się jak jeden obiekt – regularniejszy w swoich oscylacjach od jednego atomu.
Fizycy pracowali na schłodzonej chmurze atomów strontu, uwięzionych w pułapce laserowej i wzbudzonych do bardzo wysokich poziomów energetycznych (formy rydbergowskiej). Elektrony w takich atomach znajdują się na bardzo odległej „puszystej orbicie” – jak to określił Kaufman. „Te napompowane, puszyste orbity zbliżają atomy do siebie mocniej niż zwykle. Elektrony sąsiednich atomów czują się nawzajem, co skutkuje silną interakcją między nimi”.
Wady? Na razie badacze są w stanie uruchomić swój zegar na 3 milisekundy. Po tym czasie poszczególne atomy gubią splątanie i układ zaczyna zachowywać się chaotycznie. Nie jest to szczególnie zaskakujące, ponieważ dokładnie z tym samym problemem – podtrzymywania bardzo delikatnego stanu splątania – mierzą się od dawna konstruktorzy komputerów kwantowych. Mimo to Kaufman uważa, że przeszkody techniczne będą stopniowo pokonywane, a nowa generacja zegarów pozwoli na jeszcze dokładniejsze ustalanie wielkości fizycznych, testowanie teorii oraz głębszą analizę mikroświata.
Zmagania z bramkami wielokubitowymi opisano w artykule Multi-qubit gates and Schrödinger cat states in an optical clock na łamach Nature. W ogólny sposób badania ekipy Kaufmana zostały również streszczone na stronie Uniwersytetu w Boulder.
