Digitala klockor och atomur blir hela tiden mer precisa. Genom att upprepa en rytm och räkna ut tiden kan vi se hur lång tid som går.
Nu har en grupp fysiker vid Uppsala universitet och Tartu universitet i Estland hittat ett nytt sätt att mäta tid, som inte kräver något räkningsmönster eller någon tidsrytm.
I tidskriften Physical Review Research beskriver de utvecklingen av ett kvantstoppur, som använder det så kallade Rydbergtillståndet till att mäta tid i laserbombarderade atomer.
Låter det krångligt. Häng med här.
Som att mäta tiden med en linjal
I ett vanligt stoppur rör sig tiden i en rytm, som motsvarar en tidsenhet – exempelvis en minut eller en sekund.
Rytmen markerar hur lång tid som går, exempelvis hur många sekunder det tar en person att springa en viss sträcka.
Ett sätt att föreställa sig ett kvantstoppur är att se det som en linjal.
På en linjal är avstånden markerade. Den räknar inte hur många millimeter som har gått från en punkt till en annan i en rytm – den visar det bara.
Så fungerar ett kvantstoppur också. Tidpunkten för en händelse beror inte på någon specifik rytm, utan utvecklingen av ett kvantsystem skapat av Rydbergatomer, vilka mäts med en laserimpuls.
Elektronvågor i en kvantdamm
Rydbergatomer är atomer i ett visst exciterat tillstånd. Det innebär att atomen har en högre energinivå än i sitt grundtillstånd, men det är fortfarande kopplat till ett tillstånd.
Atomerna beskjuts med lasrar för att pressa deras elektroner till extremt höga energitillstånd, vilket knuffar elektronerna längre bort från atomens kärna.
Med laser kunde fysikerna både ladda upp med energi och samtidigt sedan avläsa dem, för att hitta en specifik tidsbestämmelse.
Därför kommer elektronerna att röra sig i banor, som befinner sig längre ifrån atomens kärna än normalt. Detta beskriver atomens Rydbergtillstånd, som ingår i ett så kallat vågpaket.
När Rydbergvågpaket kolliderar med andra vågpaket, som påminner om dem, kan det uppstå interferens, då de blandas med varandra och unika vågmönster uppstår.
Och har du flera av dessa vågpaket i samma "kvantdamm", som forskarna kallar det, så får du en massa olika unika blandningsmönster.
Varje unikt mönster representerar den unika tid, det har tagit att utvecklas med alla de andra mönstren i sin närhet. Det skapar vad forskarna kallar tidsstämplar – ett slags fingeravtryck i tiden.
1,7 biljondel av en sekund
I ett flertal experiment testade forskarna dessa tidsstämplar för att se om de kunde användas som ett nytt sätt att mäta tid.
Mer förenklat, så kan kvantstoppuret tala om hur många heliumatomer som har existerat i ett Rydbergtillstånd. Det som mäts är alltså förändringar i elektronernas positioner i en atom.
Genom att bombardera dessa heliumatomer med en laserpuls kombinerad med korta impulser av ultraviolett ljus, kunde forskarna mäta tiden i ett spektrum.
Det är i ett spektrum som detta som fysikerna kan avläsa tiden.
Den tid kvantstoppuret kan mäta kan tyckas oändligt liten för oss människor, men på kvantnivå kan även korta tidsintervaller som en sekund verka vara flera miljoner år.
Förhoppningen är att metoden ska kunna hjälpa forskare att mäta ögonblick ända ned till en 1,7 biljondel av en sekund, utan att använda visare eller räknare.
Mer exakt utförde forskarna mätningar ned till 81 pikosekunder (en triljondel av en sekund), vars felmarginal inte var större än åtta femtosekunder (en kvadriljondel av en sekund).
"Om du använder en visare, måste du definiera noll. Du börjar räkna utifrån en tidpunkt", säger en av forskarna bakom klockan, Marta Berholts vid Uppsala universitet till nätmediet New Scientist.
"Fördelen med detta är att du inte behöver starta klockan, du tittar bara på interferensstrukturen och säger 'Okej, det har gått fyra nanosekunder'."
Forskarna tror att kvantstoppuret kan användas i bland annat kvantdatorer under komplicerade uträkningar. Så det kommer nog att dröja lite innan det finns kvantarmbandsur i butikerna.