Als ’s werelds meest nauwkeurige atoomklok sinds de oerknal zou tikken, zou hij slechts een halve seconde uit de pas lopen. Toch is zelfs deze absurde precisie voor natuurkundigen niet genoeg. Ze willen nóg betere klokken. Amerikaanse onderzoekers van technische universiteit MIT hebben daarom een nieuwe atoomklok ontworpen die werkt met quantumverstrengelde atomen.

Atoomklokken zijn de meest nauwkeurige uurwerken die we hebben. Ze houden de tijd bij door met lasers de trillingen van atomen te meten. Atomen trillen met een extreem constante frequentie. Niets ter wereld – dat meetbaar is – ‘tikt’ zo stabiel en betrouwbaar.

Nauwkeuriger dan een tijdsmeting met atoomtrillingen wordt het dus niet. Maar de manier waarop die atomen gemeten worden, blijkt wel nauwkeuriger te kunnen. Dat hebben MIT-onderzoekers nu aangetoond. Hun techniek zoekt de grenzen van de natuurkunde nog verder op.

Onverklaarbaar kattengat
LEES OOK
Onverklaarbaar kattengat

Wolk van atomen

De huidige atoomklokken meten met een laser de trillingen van een wolk afgekoelde atomen. Elke atoomsoort heeft zijn eigen vaste frequentie. Een cesiumatoom trilt met de exact dezelfde frequentie als een ander cesiumatoom. Maar niets garandeert dat alle atomen in een gaswolk met elkaar in de pas lopen.

Idealiter zouden we daarom de trilling van één enkel atoom meten. Maar een enkel atoom meten is erg lastig en kan meetfouten opleveren. Daarom meten atoomklokken de gemiddelde trilfrequentie van een wolk met duizenden cesiumatomen. Hierdoor middelen de meetfouten uit.

‘Als je het aantal atomen verhoogt, gaat het gemiddelde van al deze atomen naar iets dat de juiste waarde geeft’, zegt Simone Colombo van MIT. Maar er zit altijd een onzekerheid in dat gemiddelde. En dat betekent dat de extreem nauwkeurige metingen van atoomklokken nóg beter kunnen.

Quantumverstrengeling

De onzekerheid op het gemiddelde kan volgens MIT-onderzoekers omlaag door gebruik te maken van quantumverstrengeling. Hierbij gaan quantumdeeltjes – bijvoorbeeld atomen – een soort sterke band met elkaar aan, waardoor je ze niet meer los van elkaar kunt zien.

Neem twee denkbeeldige quantumdeeltjes die tegelijkertijd rood en groen zijn. Als deze twee ‘verstrengeld’ zijn, dan zijn hun kleuren gecorreleerd. Meet je bijvoorbeeld dat het ene deeltje rood is, dan weet je dat het andere op dat moment groen wordt.

Bij de atomen in een atoomklok kun je hun trillingsfrequenties verstrengelen. Hierdoor correleren de individuele trillingen met elkaar, waardoor ze gezamenlijk gaan trillen rond een gemeenschappelijke frequentie. Als je de atomentrillingen nu meet, zal de gemeten frequentie minder afwijken dan wanneer ze niet verstrengeld zijn, schrijven de onderzoekers. Daardoor is een verstrengelde atoomklok nauwkeuriger.

Verstrengelde atoomklok

De onderzoekers namen de proef op de som door 350 ytterbiumatomen met elkaar te verstrengelen. Dat deden ze door een de atomen op te sluiten in een kleine ruime met aan weerszijde spiegels. Tussen die spiegels lieten ze een laserstraal pingpongen.

Impressie van atomen die verstrengeld en gemeten worden. Bron: MIT, Pedrozo-Peñafiel et al. (Nature, 2020)

‘Het licht dient als een communicatieverbinding tussen atomen’, legt Chi Shu van MIT uit. ‘Het eerste atoom dat dit licht ziet, zal het licht enigszins wijzigen, en dat licht wijzigt ook het tweede atoom en het derde atoom. Uiteindelijk worden de atomen een collectief en gaan ze zich op dezelfde manier gedragen.’

Vervolgens maten de onderzoekers de gemiddelde frequentie van de verstrengelde atomen met een andere laser. Ze herhaalden het experiment zonder de atomen te verstrengelen. Het bleek dat de atoomklok met verstrengelde atomen vier keer sneller een gewenste precisie bereikte.

Als je ’s werelds beste atoomklokken aanpast om verstrengelde atomen te meten, dan zouden ze volgens de onderzoekers flink nauwkeuriger zijn. Als ze sinds de oerknal zouden tikken, zouden deze klokken slechts 100 milliseconde afwijken.

New Scientist 83 december 2020
LEESTIP: waarom natuurkundigen graag nóg preciezere atoomklokken willen, lees je in dit nummer van New Scientist, te bestellen in onze webshop.