Determinar el paso del tiempo en nuestro mundo de relojes que hacen tictac y péndulos oscilantes es un simple caso de contar los segundos entre “entonces” y “ahora”.
Sin embargo, en la escala cuántica del zumbido de los electrones, no siempre se puede anticipar el “entonces”. Peor aún, el “ahora” a menudo se confunde en una neblina de vaguedad. Un cronómetro simplemente no funcionará en algunos escenarios.
Una posible solución podría encontrarse en la forma misma de la propia niebla cuántica, según un estudio de 2022 realizado por investigadores de la Universidad de Uppsala en Suecia.
Sus experimentos sobre la naturaleza ondulatoria de algo llamado estado de Rydberg revelaron una forma novedosa de medir el tiempo que no requiere un punto de partida preciso.
Átomos de Rydberg son los globos demasiado inflados del reino de las partículas. Inflados con láseres en lugar de aire, estos átomos contienen electrones en estados de energía extremadamente altos, orbitando lejos del núcleo.
Por supuesto, no todas las bombas de un láser necesitan inflar un átomo hasta alcanzar proporciones caricaturescas. De hecho, los láseres se utilizan habitualmente para hacer cosquillas a los electrones y llevarlos a estados de mayor energía para una variedad de usos.
En algunas aplicaciones, se puede utilizar un segundo láser para monitorear los cambios en la posición del electrón, incluido el paso del tiempo. Estos ‘sonda-bomba‘Se pueden utilizar técnicas para medir la velocidad de ciertos dispositivos electrónicos ultrarrápidos, por ejemplo.
Inducir átomos a estados de Rydberg es una truco útil para ingenierossobre todo cuando se trata de diseñar componentes novedosos para computadoras cuánticas. No hace falta decir que los físicos han acumulado una cantidad significativa de información sobre la forma en que los electrones se mueven cuando son empujados a un estado de Rydberg.
Sin embargo, al ser animales cuánticos, sus movimientos se parecen menos a cuentas que se deslizan sobre un diminuto ábaco, y más a una velada en la mesa de la ruleta, donde cada lanzamiento y salto de la bola se comprime en un solo juego de azar.
El libro de reglas matemáticas detrás de este salvaje juego de la ruleta electrónica de Rydberg se conoce como paquete de ondas de Rydberg.
Al igual que las ondas reales, tener más de un paquete de ondas de Rydberg ondulando en un espacio crea interferencia, lo que da como resultado patrones únicos de ondas.
Si se arrojan suficientes paquetes de ondas de Rydberg al mismo estanque atómico, cada uno de esos patrones únicos representará el tiempo distinto que tardan los paquetes de ondas en evolucionar de acuerdo con los demás.
Fueron estas mismas “huellas dactilares” del tiempo las que los físicos detrás de este conjunto de experimentos se propusieron probar, demostrando que eran lo suficientemente consistentes y confiables como para servir como una forma de marca de tiempo cuántica.
Su investigación implicó medir los resultados de átomos de helio excitados por láser y comparar sus hallazgos con predicciones teóricas para mostrar cómo sus resultados característicos podrían mantenerse durante un período de tiempo.
“Si utilizas un contador, tienes que definir el cero. En algún momento empiezas a contar”, explicó a la revista la física Marta Berholts de la Universidad de Uppsala en Suecia, que dirigió el equipo. Nuevo científico en 2022.
“La ventaja de esto es que no es necesario poner en marcha el reloj; basta con mirar la estructura de interferencia y decir: ‘Está bien, han pasado 4 nanosegundos'”.
Se podría utilizar una guía de la evolución de los paquetes de ondas de Rydberg en combinación con otras formas de espectroscopía de sonda de bomba que miden eventos a pequeña escala, cuando de vez en cuando son menos claros o simplemente demasiado incómodos de medir.
Es importante destacar que ninguna de las huellas dactilares requiere un entonces y un ahora para que sirvan como punto de partida y fin del tiempo. Sería como medir la carrera de un velocista desconocido frente a varios competidores que corren a velocidades determinadas.
Al buscar la firma de los estados de Rydberg que interfieren en una muestra de átomos de sondas de bombeo, los técnicos pudieron observar una marca de tiempo para eventos tan fugaces como tan solo 1,7 billonésimas de segundo.
Futuros experimentos de vigilancia cuántica podrían reemplazar el helio con otros átomos, o incluso utilizar pulsos láser de diferentes energías, para ampliar la guía de marcas de tiempo para adaptarse a una gama más amplia de condiciones.
Esta investigación fue publicada en Investigación de revisión física.
Una versión anterior de este artículo se publicó en octubre de 2022.