Een quantumstopwatch, gemaakt van lasers en heliumatomen, kan de tijd volledig nauwkeurig meten. Hij hoeft geen seconden te tellen zoals andere klokken dat doen.

Een quantumhorloge kan de tijd bijhouden zonder te tellen. Deze stopwatchachtige methode om quantumexperimenten te observeren is een eenvoudige – en altijd nauwkeurige – manier om het verstrijken van de tijd te meten.

Natuurkundige Marta Berholts van de Universiteit van Uppsala in Zweden en haar collega’s baseerden de klok op een type experiment dat een pump-probe-experiment wordt genoemd. Bij deze proeven wordt een laserpuls (de pomp) op een atoomwolk afgevuurd, waardoor deze naar een hoger energieniveau wordt gebracht. Vervolgens wordt een andere, minder krachtige lasterpulse (de probe) gebruikt om het effect van de pomp te meten.

‘Obesitasmedicatie is geen quick fix’
LEES OOK
‘Obesitasmedicatie is geen quick fix’

Quantumhorloge

Deze experimenten zijn cruciaal voor veel toepassingen in de materiaalkunde, met name de ontwikkeling van zonnepanelen. Het is echter moeilijk om te meten hoeveel tijd er verstrijkt tussen twee pulsen. Het nieuwe quantumhorloge, gemaakt met heliumatomen, lost dat probleem op.

’Het is een compleet nieuwe manier om de tijd te meten’, zegt natuurkundige Ronny Knut, die deel uitmaakt van Berholts’ team. ’Met andere klokken probeer je de tijdmeting te verbeteren door ze steeds complexer te maken. Maar in ons geval gaan we eigenlijk de compleet tegenovergestelde kant op. We gebruiken de eenvoudigst mogelijke structuur die de tijd kan aangeven.’

De onderzoekers vuurden eerst een laserpuls af op een wolkje ultrakoude heliumatomen. Dit bracht de atomen in een superpositie van quantumtoestanden. Dat betekent dat ze zich in meerdere energieniveaus tegelijk bevinden. Deze energieniveaus interfereren met elkaar, vergelijkbaar met hoe in het beroemde tweespletenexperiment een enkel foton tegelijkertijd door twee openingen kan gaan. Zo creëren de atomen een interferentiepatroon dat in de tijd verandert.

1,7 biljoenste seconde

Toen de onderzoekers dat interferentiepatroon 1,7 picoseconden lang maten (een picoseconde is een biljoenste seconde), konden zij het vergelijken met simulaties van de interferentie. Zo konden ze het tijdsinterval vinden waarin de patronen met elkaar overeenkwamen. Daardoor wisten zij precies hoe lang de heliumatomen zich in de superpositie hadden bevonden. Het niet-herhalende karakter van het interferentiepatroon maakt het gemakkelijk om te bewijzen dat deze tijdsbepaling nauwkeurig was.

Het voordeel hiervan is dat je, anders dan bij een traditionele klok, niet precies hoeft te meten wanneer de atomen in een superpositie zijn gebracht. ‘Als je een teller gebruikt, moet je het nulpunt definiëren. Je begint te tellen op een bepaald punt’, zegt Berholts. ‘Het voordeel van deze aanpak is dat je de klok niet hoeft te starten. Je kijkt gewoon naar de interferentiestructuur en zegt ‘oké, het is 4 nanoseconden geleden’.’

‘[Dit is] een zeer elegant experiment dat nuttig zal zijn voor pump-probe-experimenten’, zegt natuurkundige Gerard Milburn van de Universiteit van Queensland in Australië. Voor het meten van tijd in het algemeen is het niet nuttig, zegt hij. Maar het kan buitengewoon nauwkeurig zijn bij experimenten waarbij alleen een interval tussen twee tijdstippen wordt gemeten.

Quantuminteracties

Deze experimenten worden veel gedaan bij het bestuderen van kleinschalige systemen die snel veranderen. Daarbij kan een verbetering van de nauwkeurigheid dus cruciaal zijn. Hierdoor zouden onderzoekers buitengewoon snelle metingen kunnen verrichten aan systemen die in de tijd veranderen, zoals het uiteenvallen van een enkel molecuul, quantuminteracties tussen licht en materie, of de blootstelling van een materiaal aan een magnetisch veld.