Atomer er grundlaget for nogle af de mest universelle og præcise målinger i den moderne fysik. Siden 1960’erne har tiden således været defineret ved den indre svingningsfrekvens i cæsium atomet. For at konstruere et meget præcist atomur, skal man måle denne indre svingningsfrekvens og omregne den til sekunder. Grænsen for hvor præcis denne måling kan blive sættes af det man kalder “shot noise”. Et internationalt forskerteam med deltagelse fra Aarhus Universitet fortæller nu i det førende videnskabelige tidsskrift Science at de har brudt denne grænse.
”Gud spiller ikke terninger” sagde Einstein under henvisning til kvantemekanikken som Niels Bohr grundlagde, og som siden har vist sig meget succesfuld. Senest har lektor i atomfysik Jan Arlt, Aarhus Universitet, netop været med til endnu en udnyttelse af kvantemekanikken. I et atomur svinger atomerne mellem to indre tilstande. For at måle tiden skal man tælle antallet af disse svingninger i et givent tidsinterval . Det betyder at man skal bestemme den indre tilstand af hvert enkelt atom. I disse målinger opfører hvert atom sig som en terning, eftersom det enkelte atom når man måler kun kan være i én tilstand, svarende til lige eller ulige. Hvis man kaster 100 terninger samtidigt, vil man i gennemsnit forvente 50 lige og 50 ulige. Imidlertid ser man hyppigt mindre afvigelser fra denne forventning, fx 48 lige og 52 ulige. Disse afvigelser fra den forventede værdi kaldes ”shot noise”. De optræder også når den indre tilstand af atomerne måles og begrænser således atomurets præcision.
En måling under shot noise grænsen kan imidlertid opnås ved at basere sig på kvantemekanikken. Den forudsiger at to atomer kan være sammenfiltret (entangled) med hinanden. Sådanne sammenfiltrede atompar svarer til et par terninger, som mirakuløst giver præcist lige mange lige og ulige resultater. Hvis man altså kaster 50 par sammenfiltrede terninger, vil man få præcis 50 lige og 50 ulige. Hermed han man brudt shot noise grænsen. Einstein stillede sig som nævnt tvivlende overfor kvantemekanikken og kaldte dette fænomen for ”spooky action at a distance”, hvilket bedst kan oversættes med ”spøjs vekselvirkning på afstand”. I dag forstår forskerne imidlertid sammenfiltring som en fundamental del af naturen som er eftervist ved mange fysiske eksperimenter.
Ved de nye forsøg som rapporteres i Science viste forskerne at de kunne fremstille sådanne sammenfiltrede atompar ved ekstremt kolde temperaturer. Til det formål kølede forskerne omkring 10.000 rubidium atomer ned til en milliontedel grad over det absolutte nulpunkt. Så opfører rubidiumatomer sig som små magneter sådan at deres indre tilstand bestemmes af magnetens orientering. Oprindeligt blev atomerne præpareret med vandret orientering. Det lykkedes forskerne at omdanne mange par af atomer med vandret orientering til sammenfiltrede par med op/ned orientering, svarende til de lige eller ulige resultater med en terning som er nævnt ovenfor.
Forskerne forventer at opdagelsen vil danne grundlag for at fremtidige atomure kan gøres endnu mere præcise ved at basere dem på sammenfiltring - eller det som Einstein kaldte en ”spooky action.Resultatet vil være nyttigt for en række tekniske forbedringer, fx af GPS-systemer og den præcise synkronisering af elektriske netværk eller internettet. Det er altså ikke slet ikke så spooky endda.
Science DOI: 10.1126/science.1208798
Arbejdet er et resultat af et samarbejde mellem forskere fra Leibniz Universitetet i Hannover, Aarhus Universitet, Det europæiske laboratorium for ikke-lineær spektroskopy i Firenze og Baskerlandets Universitet i Bilbao.
