Sammenfiltring af atomer i ure øger deres præcision. (Willem Douven/EyeEm/Getty Images) Få ting i universet holder takten så pålidelig som et atoms puls.
Alligevel mister selv de mest avancerede 'atomare' ure baseret på variationer af disse kvantetidtagere tællingen, når de presses til deres grænser.
Det har fysikere kendt i nogen tid at sammenfiltrende atomer kan hjælpe med at binde partikler nok ned til at presse lidt mere tæg fra hver tock, men alligevel har de fleste eksperimenter kun været i stand til at demonstrere dette på den mindste skala.
Et team af forskere fra University of Oxford i Storbritannien har skubbet denne grænse til en afstand på to meter (ca. seks fod), hvilket beviser, at matematikken fortsætter med at holde stik over større rum.
Ikke alene kunne dette forbedre den overordnede præcision af optiske atomure, det giver mulighed for et niveau af sammenligning i split-sekund timingen af flere ure i en grad, der kunne afsløre tidligere uopdagelige signaler i en række fysiske fænomener.
Som navnet indikerer, bruger optiske atomure lys til at undersøge atomernes bevægelser for at holde tiden.
Som et barn på en gynge suser komponenter af atomer frem og tilbage under et konsekvent sæt af begrænsninger. Alt, der skal til, er et pålideligt kick, såsom en foton fra en laser, for at sætte svingningen i gang.
Forskellige teknikker og materialer er blevet testet gennem årene for at fremme teknologien til det punkt forskelle i deres frekvenser tæller næsten ikke op til et sekunds fejl over de 13-ulige milliarder år af universet – et præcisionsniveau, der betyder, at vi måske bliver nødt til at gentænk selve den måde, vi måler tiden på .
Så finjusteret som denne teknologi tilfældigvis er, kommer der et tidspunkt, hvor selve reglerne for tidtagning i sig selv bliver lidt vage takket være usikkerheden i kvantelandskabet, der introducerer en masse catch-22-situationer.
For eksempel kan højere frekvenser af lys forbedre præcisionen, men det kommer på bekostning af, at små usikkerheder mellem fotonens kick og atomets respons bliver vigtigere.
Disse kan igen udlignes ved at læse atomet flere gange, en løsning ikke uden sine egne problemer.
En 'single shot'-aflæsning med den rigtige slags laserpuls ville være ideel. Fysikere ved, at usikkerheden ved denne tilgang kan forbedres, hvis det atom, der måles, allerede har haft sin skæbne viklet ind i et andet.
Sammenfiltring er på én gang et intuitivt og bizart koncept. Ifølge kvantemekanikken kan objekter ikke siges at have en værdi eller tilstand, før de er observeret.
Hvis de allerede er en del af et større system – måske gennem en udveksling af fotoner med andre atomer – vil alle dele af systemet være skæbne til at levere et relativt forudsigeligt resultat.
Det er som at vende to mønter fra den samme pung, ved at vide, at hvis den ene kommer op med hovedet, vil den anden komme op i haler, selvom den snurrer i luften.
De to 'mønter' i dette tilfælde var et par strontiumioner, viklet ind i en foton, der blev sendt ned ad en kort længde af optisk fiber.
Testen i sig selv producerede ikke nogen revolutionerende niveauer af præcision i optiske atomure, selvom det ikke var meningen.
I stedet viste holdet ved at sammenfiltre de ladede strontiumatomer, at de kunne reducere måleusikkerheden under forhold, der skulle give dem mulighed for at forbedre præcisionen i fremtiden.
At kende makroskopiske afstande på få meter giver ingen udfordring, det er nu teoretisk muligt at vikle optiske atomure rundt i verden for at forbedre deres præcision.
'Mens vores resultat i høj grad er et proof-of-princip, og den absolutte præcision, vi opnår, er et par størrelsesordener under det nyeste, håber vi, at de viste teknikker en dag kan forbedre de nyeste systemer, ' siger fysiker Raghavendra Srinivas.
'På et tidspunkt vil der være behov for sammenfiltring, da det giver en vej til den ultimative præcision, som kvanteteorien tillader.'
At presse lidt mere selvtillid ud af et atomurs tikke kan være lige, hvad vi har brug for for at måle små forskelle i tid produceret af masser over de mindste afstande, et værktøj der kan føre til kvanteteorier om tyngdekraft .
Selv uden for forskning kan brug af sammenfiltring til at reducere usikkerhed i kvantemålinger have anvendelser i alt fra kvanteberegning til kryptering og kommunikation .
Denne forskning blev offentliggjort i Natur .