فیزیکدانان MIT دقت ساعتهای اتمی را بهبود بخشیدند
عنوان خبر: فیزیکدانان MIT دقت ساعتهای اتمی را بهبود بخشیدند
ژانر/موضوع: حسگری کوانتومی، ساعت اتمی، ساعت نوری
تاریخ انتشار خبر: 8 اکتبر 2025
لینک خبر: mit.edu
چکیده:
پژوهشگران MIT روشی نو برای کاهش نویز کوانتومی در ساعتهای اتمی نوری معرفی کردهاند که پایداری آنها را عملاً دو برابر میکند. این روش بر تقویت یک تغییر فاز سراسری (global phase shift) القاشده توسط لیزر در مجموعهای از اتمهای ایتربیوم درهمتنیده و ترکیب آن با طرح “تقویت وارونسازی زمانی” استوار است. ساعتهای نوری گذارهای اتمی را در فرکانسهایی بسیار بالاتر از ساعتهای سزیم مایکروویوی اندازه میگیرند و در نتیجه دقت زمانی بیشتری ارائه میدهند—اما در عین حال نسبت به محدودیتهای اندازهگیری کوانتومی حساسترند. در این روش، لیزرِ در تعامل با اتمهای درهمتنیده، فازی جمعی (collective phase) در کل سامانه القا میکند. با تقویت این فاز از طریق کنترل کوانتومی، تیم پژوهشی سیگنال را بالاتر از سطح نویز کوانتومی برده و انحرافهای فرکانسی را با دقت بیشتری آشکار میکند. در آزمایشها نشان داده شد که ساعت بهبودیافته قادر است انحرافهایی تقریباً دو برابر کوچکتر از سامانههای متعارف را تشخیص دهد، و انتظار میرود با افزایش تعداد اتمها این بهبود بیشتر شود. این پیشرفت ساعتهای نوری را به کاربردهای میدانی و قابلحمل نزدیکتر میکند و جایگاه آنها را در علوم بنیادی—از جستوجوی مادهٔ تاریک تا آزمون ثابتهای بنیادی—و در کاربردهایی چون ناوبری دقیق و ژئودزی تقویت مینماید. هرچند چالشهایی در مسیر مقیاسپذیری و مهندسی باقی مانده، این کار گامی معنادار در پیشبرد زمانسنجی تقویتشدهٔ کوانتومی به شمار میرود.
شرح کامل خبر:
زمانسنجی با دقت بالا زیربنای بسیاری از فناوریها از جمله سامانههای موقعیتیاب جهانی (GPS) و آزمایشهای بنیادی فیزیک است. در یک پیشرفت تازه، فیزیکدانان مؤسسهٔ فناوری ماساچوست (MIT) روشی را برای کاهش یکی از محدودیتهای کلیدی در ساعتهای اتمی نوری (optical atomic clocks) — یعنی نویز کوانتومی — به نمایش گذاشتهاند؛ روشی که پایداری یک ساعت مبتنی بر اتمهای ایتربیوم (ytterbium) را تقریباً دو برابر میکند. این روش از پدیدهای موسوم به «فاز سراسری» (global phase) که توسط لیزر در اتمهای درهمتنیده (entangled atoms) القا میشود، بهره میگیرد و از طریق تقویت کوانتومی (quantum amplification) آن را تشدید میکند، و بدین ترتیب مسیری عملی بهسوی ساعتهای نوری مقاومتر و قابلحملتر میگشاید.
ساعتهای اتمی مدرن با مقایسهٔ فرکانس پایدار یک لیزر با گذار باریکی در اتمها — مانند ایتربیوم — کار میکنند، که فرکانس نوسان آن در حوزهٔ نوری قرار دارد، یعنی بسیار بالاتر از استانداردهای سنتیِ سزیم مایکروویوی. این «نرخ تیکتاک» بالاتر، دقت زمانی بیشتری فراهم میکند، اما سامانه را نسبت به محدودیتها و نویز کوانتومی نیز حساستر میسازد. نکتهٔ کلیدی تیم MIT این بود که لیزری که با مجموعهای از اتمهای درهمتنیده برهمکنش دارد، یک تغییر فاز سراسری (global phase shift) در میان اتمها القا میکند — اثری که معمولاً در عملکردهای متعارف نادیده گرفته میشود — و آنان نشان دادند که میتوان این فاز را تقویت کرد تا عدمقطعیت اندازهگیری کاهش یابد.
نکتهٔ حیاتی دیگر آن است که پژوهشگران این اثر را با روشی که پیشتر توسعه داده بودند ترکیب کردند، یعنی روش «وارونسازی زمانی / تقویت کوانتومی» (time-reversal / quantum amplification). در پژوهشهای قبلی، آنان نشان داده بودند که با درهمتنیدگی (entangling) و سپس بازدرهمتنیدگی (de-entangling) حالتهای اتمی، میتوان انحرافهای کوچک میان فرکانس لیزر و فرکانس اتمی را تا بالای حد نویز کوانتومی تقویت کرد. در این کار جدید، آنها این روش را به حوزهٔ ساعتهای نوری تعمیم دادند و از اثر فاز سراسری برای افزایش وضوح سیگنال بهره گرفتند. نتیجه آن بود که ساعت میتواند انحرافهای فرکانسی تقریباً دو برابر کوچکتر را — پیش از رسیدن به حد نویز کوانتومی — تشخیص دهد.
در عمل، در سامانهٔ آزمایشی آنان، بهبودی بهاندازهٔ دو برابر در پایداری نسبت به همان تنظیم بدون این روش ترکیبی مشاهده شد.
این پیشرفت نهتنها از نظر نمایش یک روش جدید اهمیت دارد، بلکه از لحاظ پیامدهای عملی نیز چشمگیر است. نخست، این دستاورد ساعتهای نوری را به دقت نهایی آنها نزدیکتر میکند؛ یعنی جایی که محدودیتها نه از منابع کلاسیکیِ نویز، بلکه از خود پدیدههای مکانیک کوانتومی ناشی میشوند. دوم، با مقاومتر ساختن سامانه در برابر نوسانات کوانتومی، این روش ساعتها را یک گام به سوی کاربردهای قابلحمل (portable deployment) نزدیکتر میسازد—هدف دیرینهای در حوزهٔ مترولوژی دقیق میدانی. تیم پژوهشی پیشبینی میکند که مزیت این روش با افزایش تعداد اتمها مقیاسپذیر است و در مجموعههای بزرگتر موجب پایداری بالاتر میشود.
فراتر از زمانسنجی، چنین ساعتهای بهبودیافتهای کاربردهایی گسترده در علوم بنیادی و کاربردی دارند: آشکارسازی تغییرات در ثابتهای بنیادی، جستوجوی مادهٔ تاریک فوقسبک، آشکارسازی امواج گرانشی، ژئودزی (geodesy)، همزمانسازی شبکههای کوانتومی توزیعشده (distributed quantum networks) و حتی کاوش در فیزیک نوین. همانگونه که نویسندگان اشاره کردهاند، میتوان ساعتهای نوری قابلحمل را در مکانهای دورافتاده برای اندازهگیری تغییرات پتانسیل گرانشی محلی یا فرآیندهای ژئوفیزیکی پویا بهکار گرفت.
طبیعتاً چالشهایی نیز باقی مانده است. تبدیل این مفهوم به دستگاهی فشرده و مقاوم نیازمند مهندسی دقیق لیزرها، سامانههای خلأ و ایزولاسیون محیطی است. مقیاسپذیری به تعداد زیاد اتم در حالیکه همدوسی (coherence) و تلفات پایین حفظ شود، کار سادهای نیست. علاوه بر این، شناسایی تغییرات سیستماتیک (systematic shifts)، رانشهای دمایی و پایداری بلندمدت در شرایط واقعی گامهایی حیاتی خواهند بود. با این حال، با شناسایی و بهرهبرداری از اثری که پیشتر کمتر مورد توجه قرار گرفته بود—یعنی فاز سراسری (global phase)—و ادغام آن با تقویت کوانتومی، تیم MIT اهرم تازهای برای پیشبرد دقت زمانسنجی ایجاد کرده است.
در چشمانداز گستردهتر، این کار نمونهای روشن از مرزهای در حال تحول مترولوژی تقویتشدهٔ کوانتومی (quantum-enhanced metrology) است؛ جایی که همبستگیهای کوانتومی (quantum correlations)، درهمتنیدگی و کنترل هوشمندانهٔ برهمکنش نور–ماده با یکدیگر ترکیب میشوند تا از محدودیتهای کلاسیکی فراتر روند. تماشای عملکرد این روش در آینده—هنگامی که بهینهسازی، مقیاسپذیر و در نهایت خارج از مرزهای آزمایشگاهی بهکار گرفته شود—بیتردید هیجانانگیز خواهد بود.
منابع:
[1] https://news.mit.edu/2025/mit-physicists-improve-atomic-clocks-precision-1008
[2] https://www.nature.com/articles/s41586-025-09578-8
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
