Natuurkundigen ontdekken nieuwe manier om tijd te meten

Met behulp van zogeheten Rydbergtoestanden hebben wetenschappers een kwantumstopwatch gemaakt die geen seconden telt. Denk aan een liniaal die de tijd kan meten.

Met behulp van zogeheten Rydbergtoestanden hebben wetenschappers een kwantumstopwatch gemaakt die geen seconden telt. Denk aan een liniaal die de tijd kan meten.

Shutterstock

Digitale en atoomklokken worden steeds nauwkeuriger. Door een ritme te herhalen en de tijd te tellen, kunnen we zien hoeveel tijd er verstrijkt.

Een team natuurkundigen van de universiteit van Uppsala in Zweden en de universiteit van Tartu in Estland heeft een nieuwe manier gevonden om de tijd te meten, waarvoor geen telpatroon of tijdritme nodig is.

In het tijdschrift Physical Review Research beschrijven ze de ontwikkeling van een kwantumstopwatch die de zogeheten Rydbergtoestand gebruikt om de tijd te meten in met laser bestookte atomen.

Klinkt dat ingewikkeld? Lees nog even verder.

Tijd meten met een liniaal

In een gewone stopwatch verloopt de tijd in een ritme dat overeenkomt met een tijdseenheid – bijvoorbeeld een minuut of een seconde.

Het ritme geeft het verstrijken van de tijd aan, bijvoorbeeld hoeveel seconden iemand nodig heeft om een bepaalde afstand te lopen.

Je kunt een kwantumstopwatch zien als een soort liniaal.

Op een liniaal wordt de afstand gemarkeerd. Hij telt niet hoeveel millimeter er in een ritme van het ene naar het andere punt is gegaan – hij laat het alleen maar zien.

Zo werkt een kwantumstopwatch ook. De timing van een gebeurtenis hangt niet af van een specifiek ritme, maar van de ontwikkeling van een kwantumsysteem dat gecreëerd wordt door Rydbergatomen, die worden gemeten door een laserpuls.

Elektronengolven in een kwantumvijver

Rydbergatomen bevinden zich in een soort aangeslagen toestand. Dit betekent dat het atoom een hoger energieniveau heeft dan zijn grondtoestand, maar nog wel aan een fase is gebonden.

De atomen worden bestookt met lasers om hun elektronen naar extreem hoge energietoestanden te duwen, waardoor de elektronen verder van de atoomkern verwijderd raken.

laser atoom

Met lasers konden natuurkundigen atomen opladen met energie en vervolgens aflezen om een specifieke tijd te vinden.

© David Monniaux

Daarom zullen de elektronen bewegen in banen die verder weg zijn van de atoomkern dan normaal. Dit beschrijft de Rydbergtoestand van het atoom, die deel uitmaakt van een zogeheten golfpakket.

Wanneer Rydberggolfpakketten botsen met andere golfpakketten die erop lijken, kan interferentie optreden, waarbij ze zich vermengen en unieke golfpatronen vormen.

En als je meerdere van deze golfpakketten in dezelfde ‘kwantumvijver’, zoals de onderzoekers het noemen, hebt, krijg je allerlei unieke mengpatronen.

Elk uniek patroon vertegenwoordigt de unieke tijd die het nodig heeft gehad om zich te ontvouwen, vergeleken met alle andere patronen in zijn omgeving. Hierdoor ontstaan tijdstempels: een soort vingerafdruk in de tijd.

1,7 biljoenste van een seconde

In een reeks experimenten testten de onderzoekers deze tijdstempels om te zien of ze konden dienen als een nieuwe manier om tijd te meten.

Meer praktisch kan de kwantumstopwatch vertellen hoe lang heliumatomen in een Rydbergtoestand hebben bestaan. Dus er worden veranderingen in de posities van elektronen in een atoom gemeten.

Door deze heliumatomen te bombarderen met een laserpuls in combinatie met korte pulsen ultraviolet licht, konden de wetenschappers de tijd in een spectrum meten.

tijdsspectrum

Aan een spectrum als dit kunnen natuurkundigen de tijd aflezen.

© Physical Review Research

De tijd die de kwantumstopwatch kan meten lijkt voor ons misschien oneindig klein, maar op kwantumniveau kunnen zelfs korte tijdsintervallen als een seconde miljoenen jaren lijken.

De hoop is dat wetenschappers met de methode momenten vanaf 1,7 biljoenste van een seconde kunnen meten, zonder gebruik te maken van wijzerplaten of tellers.

Meer precies deden de onderzoekers metingen tot 81 picoseconden (een triljoenste seconde), met een foutmarge van slechts acht femtoseconden (een quadriljoenste seconde).

‘Als je een pointer gebruikt, moet je het nulpunt definiëren. Dan tel je vanaf een punt in de tijd,’ vertelt een van de onderzoekers achter de klok, Marta Berholts van de universiteit van Uppsala, aan online media New Scientist.

‘Het voordeel hiervan is dat je de klok niet hoeft te starten – je kijkt gewoon naar de interferentiestructuur en zegt: oké, het is 4 nanoseconden geleden.’

De onderzoekers denken de kwantumstopwatch te kunnen gebruiken in kwantumcomputers en andere toepassingen voor ingewikkelde berekeningen. Het zal dus nog wel even duren voordat een kwantumpolshorloge in de winkels ligt.