يعد تحديد مرور الوقت في عالمنا من الساعات الموقوتة حالة بسيطة لحساب الثواني بين "آنذاك" و"الآن".

ومع ذلك، في النطاق الكمي للإلكترونات الصاخبة، لا يمكن دائما توقع كلمة "آنذاك". والأسوأ من ذلك أن كلمة "الآن" غالبا ما تتحول إلى ضباب من الغموض. لن تعمل ساعة الإيقاف ببساطة في بعض السيناريوهات.

ويمكن العثور على حل محتمل في شكل الضباب الكمي نفسه، وفقا لدراسة أجراها باحثون من جامعة أوبسالا في السويد عام 2022.

وكشفت تجاربهم على الطبيعة الشبيهة بالموجة لشيء يسمى حالة Rydberg عن طريقة جديدة لقياس الوقت لا تتطلب نقطة انطلاق دقيقة.

وتعرف ذرات Rydberg بأنها بالونات منتفخة بشكل مفرط لمملكة الجسيمات. وتحتوي هذه الذرات، المنتفخة بالليزر بدلا من الهواء، على إلكترونات في حالات طاقة عالية للغاية، تدور بعيدا عن النواة.

وبالطبع، لا تحتاج كل مضخة ليزر إلى نفخ ذرة حتى تصل إلى أبعاد كرتونية. في الواقع، يتم استخدام الليزر بشكل روتيني لدغدغة الإلكترونات في حالات طاقة أعلى لمجموعة متنوعة من الاستخدامات.

وفي بعض التطبيقات، يمكن استخدام ليزر ثان لمراقبة التغيرات في موضع الإلكترون، بما في ذلك مرور الوقت. ويمكن استخدام تقنيات "مسبار المضخة" هذه لقياس سرعة بعض الإلكترونيات فائقة السرعة، على سبيل المثال. إن تحفيز الذرات إلى حالات Rydberg هو خدعة مفيدة للمهندسين، ليس أقلها عندما يتعلق الأمر بتصميم مكونات جديدة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية. ولا داعي للقول إن الفيزيائيين قد جمعوا قدرا كبيرا من المعلومات حول الطريقة التي تتحرك بها الإلكترونات عند دفعها إلى حالة Rydberg.

ولكونها حيوانات كمومية، فإن حركاتها أقل شبها بالخرز الذي ينزلق على العداد الصغير، بل أشبه بأمسية على طاولة الروليت، حيث يتم ضغط كل لفة وقفزة للكرة في لعبة حظ واحدة.

ويُشار إلى كتاب القواعد الرياضية وراء هذه اللعبة الجامحة لروليت Rydberg للإلكترون باسم حزمة موجات Rydberg.

وتماما مثل الموجات الفعلية، فإن وجود أكثر من حزمة موجية من Rydberg تتموج في الفضاء يخلق تداخلا، ما ينتج عنه أنماط فريدة من التموجات. قم برمي ما يكفي من حزم موجات Rydberg في نفس البركة الذرية، وستمثل هذه الأنماط الفريدة الوقت المميز الذي تستغرقه حزم الموجة لتتوافق مع بعضها البعض.

وتضمن بحث الباحثين قياس نتائج ذرات الهليوم المثارة بالليزر ومطابقة نتائجهم بالتنبؤات النظرية.

وأوضحت عالمة الفيزياء مارتا بيرهولتس من جامعة أوبسالا في السويد، والتي قادت الفريق: "إذا كنت تستخدم عدادا، فعليك تحديد الصفر. تبدأ العد في مرحلة ما. الفائدة من ذلك أنه ليس عليك بدء الساعة - ما عليك سوى إلقاء نظرة على هيكل التداخل وتقول "حسنا، لقد مرت 4 نانو ثانية"".

ويمكن استخدام دليل لحزم موجات Rydberg المتطورة إلى جانب أشكال أخرى من التحليل الطيفي لمسبار المضخة التي تقيس الأحداث على نطاق صغير، عندما تكون بين الحين والآخر أقل وضوحا، أو ببساطة غير مريحة للقياس.

الأهم من ذلك، أن أيا من بصمات الأصابع لا تتطلب وقتا وحديثا لتكون بمثابة نقطة بداية وتوقف للوقت. وسيكون الأمر أشبه بقياس سباق عداء غير معروف ضد عدد من المنافسين الذين يجرون بسرعات محددة.

ومن خلال البحث عن توقيع حالات Rydberg المتداخلة وسط عينة من ذرات مسبار المضخة، يمكن للفنيين ملاحظة الطابع الزمني للأحداث التي لا تتجاوز 1.7 تريليون جزء من الثانية.

ويمكن لتجارب الساعات الكمومية المستقبلية أن تحل محل الهيليوم مع ذرات أخرى، أو حتى استخدام نبضات ليزر ذات طاقات مختلفة ، لتوسيع دليل الطوابع الزمنية لتلائم نطاقا أوسع من الظروف.

وقد نُشر هذا البحث في مجلة Physical Review Research.