Thiết kế mới nâng cao độ chính xác của đồng hồ nguyên tử

Để giữ thời gian hoàn hảo, lý tưởng nhất là đồng hồ sẽ theo dõi dao động của một nguyên tử, nhưng ở quy mô nhỏ như vậy, nguyên tử hoạt động theo các quy tắc bí ẩn của cơ học lượng tử. Khi đo độ dao động, nó hoạt động giống như một đồng xu mà chỉ khi lấy trung bình nhiều lần lật mới cho xác suất chính xác. Giới hạn này được các nhà vật lý gọi là Giới hạn lượng tử tiêu chuẩn.

Đó là lý do tại sao đồng hồ nguyên tử hiện nay được thiết kế để đo một chất khí bao gồm hàng nghìn nguyên tử cùng loại, cho phép ước tính dao động trung bình của chúng.

Tuy nhiên, giới hạn lượng tử tiêu chuẩn vẫn đang hoạt động, có nghĩa là vẫn tồn tại một số bất định, ngay cả trong số hàng nghìn nguyên tử, liên quan đến tần số riêng lẻ chính xác của chúng. Đây là nơi mà Edwin và các cộng sự tin rằng trạng thái rối lượng tử có thể hữu ích.

Nhóm nghiên cứu lập luận rằng khi các nguyên tử bị vướng vào nhau, các dao động của chúng sẽ bị "trói buộc" xung quanh một tần số chung với độ lệch ít hơn. Do đó, các dao động trung bình mà đồng hồ nguyên tử đo được sẽ có độ chính xác vượt qua Giới hạn lượng tử tiêu chuẩn.

Trong thiết kế đồng hồ mới, các nhà nghiên cứu đã làm vướng khoảng 350 nguyên tử ytterbium, dao động ở cùng tấn số rất cao với ánh sáng khả kiến. Sau đó, họ sử dụng các kỹ thuật tiêu chuẩn để làm nguội nguyên tử và nhốt chúng trong một khoang quang học được tạo thành bởi hai gương. Tiếp theo, họ chiếu một tia laser qua khoang quang học, nơi nó tương tác với các nguyên tử hàng nghìn lần.

"Ánh sáng đóng vai trò như một liên kết giao tiếp giữa các nguyên tử. Nguyên tử đầu tiên gặp ánh sáng này sẽ thay đổi ánh sáng một chút, và ánh sáng đó cũng thay đổi nguyên tử thứ hai và nguyên tử thứ ba... Qua nhiều chu kỳ, các nguyên tử nhận biết nhau và bắt đầu dao động tương tự", đồng tác giả của nghiên cứu Chi Shu giải thích.

Cuối cùng, các nhà khoa học sử dụng một tia laser khác, tương tự như đồng hồ nguyên tử hiện có, để đo tần số trung bình của các nguyên tử.

"Bằng cách tăng cường sự vướng víu lượng tử, đồng hồ nguyên tử quang học mới có tiềm năng đạt độ chính xác tốt hơn trong một giây so với đồng hồ quang học hiện đại nhất. Thiết kế mới của MIT sẽ cải thiện đồng hồ đến mức thời gian chỉ sai lệch chưa tới 100 mili giây trong toàn bộ thời gian đã qua của vũ trụ", Edwin nhấn mạnh.

Nếu đồng hồ nguyên tử tiếp tục cải thiện độ chính xác trong đo lường dao động của các nguyên tử, một ngày nào đó chúng sẽ đủ nhạy để phát hiện các hiện tượng "vô hình" như vật chất tối và sóng hấp dẫn. Điều này có thể giúp các nhà khoa học giải mã những bí ẩn về tác động của lực hấp dẫn đối với thời gian, và trả lời câu hỏi liệu thời gian có thay đổi khi vũ trụ già đi hay không.