در دنیای روزمره ما، تعیین گذر زمان کار چندان دشواری نیست. کافی است به ساعت نگاه کنیم یا تیک‌تاک یک پاندول را بشماریم. در حقیقت، سنجش زمان در این مقیاس چیزی جز شمارش ثانیه‌ها میان «آن‌گاه» و «اکنون» نیست. اما وقتی پای دنیای کوانتوم و الکترون‌های پرجنب‌وجوش به میان می‌آید، شرایط به‌مراتب پیچیده‌تر می‌شود. در این مقیاس، «آن‌گاه» همیشه قابل پیش‌بینی نیست و «اکنون» نیز اغلب در مهی از ابهام فرو می‌رود. در چنین شرایطی یک کرنومتر معمولی به هیچ وجه کارایی ندارد.
راه‌حلی احتمالی برای این مشکل در شکل و ساختار همین مه کوانتومی نهفته است؛ موضوعی که در سال ۲۰۲۲ گروهی از پژوهشگران دانشگاه اوپسالا در سوئد به بررسی آن پرداختند.
این پژوهشگران با مطالعه ویژگی موج‌گونه حالتی خاص به نام «حالت ریدبرگ» (Rydberg state) توانستند روشی نوین برای اندازه‌گیری زمان ارائه دهند؛ روشی که برخلاف ساعت‌های معمولی، نیازمند یک نقطه‌ی آغاز مشخص نیست.
اتم‌های ریدبرگ؛ غول‌های بادکنکی جهان ذرات
اتم‌های ریدبرگ را می‌توان همانند بادکنک‌های بیش از حد باد شده‌ای دانست که به جای هوا، با لیزر پر شده‌اند. در این اتم‌ها، الکترون‌ها به سطوح انرژی بسیار بالاتری منتقل می‌شوند و مدارشان به فاصله‌ای دور از هسته کشیده می‌شود. البته هر بار تاباندن لیزر الزاماً اتم را به چنین حالت اغراق‌شده‌ای نمی‌برد. در بسیاری از آزمایش‌ها از لیزر برای تحریک الکترون‌ها و بردن آن‌ها به سطوح انرژی بالاتر استفاده می‌شود؛ فرآیندی که در طیف گسترده‌ای از فناوری‌ها کاربرد دارد.
در برخی از این کاربردها، پژوهشگران با استفاده از یک لیزر دوم تغییرات موقعیت الکترون را بررسی می‌کنند. این روش که به «پمپ–پروب» (pump-probe) شهرت دارد، برای اندازه‌گیری فرآیندهایی در مقیاس بسیار سریع از جمله سرعت عملکرد قطعات الکترونیکی فوق‌سریع به کار گرفته می‌شود.
چرا حالت ریدبرگ مهم است؟
تحریک اتم‌ها به حالت ریدبرگ یکی از ابزارهای پرکاربرد در مهندسی کوانتومی است؛ به‌ویژه در طراحی اجزای جدید برای رایانه‌های کوانتومی. بنابراین فیزیک‌دانان تاکنون حجم بزرگی از داده‌ها درباره رفتار الکترون‌ها در این حالت جمع‌آوری کرده‌اند. اما این رفتارها، برخلاف حرکت‌های منظم و قابل پیش‌بینی، بیشتر به بازی شانسی در میز رولت شباهت دارند؛ جایی که هر پرش و حرکت توپ تابع احتمالات است.
بسته موجی ریدبرگ و اثر تداخل
قوانین ریاضی حاکم بر این بازی تصادفی تحت عنوان «بسته موجی ریدبرگ» (Rydberg wave packet) شناخته می‌شوند. درست همانند امواج واقعی، اگر بیش از یک بسته موجی ریدبرگ در یک فضا حضور داشته باشد، با یکدیگر تداخل می‌کنند و الگوهای ویژه‌ای از موج‌ها به وجود می‌آورند.
حال اگر تعداد زیادی از این بسته‌های موجی در یک «برکه اتمی» کنار هم قرار گیرند، هر الگوی تداخل شکل‌گرفته نشان‌دهنده زمانی مشخص خواهد بود که بسته‌های موجی برای تحول و تغییر هماهنگ با یکدیگر صرف کرده‌اند.
به بیان ساده، این الگوها همچون اثر انگشت‌هایی از زمان عمل می‌کنند؛ همان چیزی که فیزیک‌دانان در این پژوهش قصد داشتند آزمایش کنند. آن‌ها نشان دادند که این اثر انگشت‌ها به اندازه کافی پایدار و قابل اعتماد هستند تا بتوان از آن‌ها برای برچسب‌گذاری زمانی در مقیاس کوانتومی بهره گرفت.
آزمایش‌ها و نتایج
گروه پژوهشی دانشگاه اوپسالا، با تاباندن لیزر به اتم‌های هلیوم و قرار دادن آن‌ها در حالت ریدبرگ، داده‌های حاصل را با پیش‌بینی‌های نظری مقایسه کردند. نتیجه نشان داد که الگوهای مشاهده‌شده در تداخل بسته‌های موجی می‌توانند به‌عنوان جایگزینی دقیق برای تعیین گذر زمان عمل کنند.
«اگر از شمارنده یا ساعت استفاده کنید، باید نقطه‌ی صفر تعریف کنید. شما از جایی شروع به شمارش می‌کنید.» این سخن مارتا برهولتس (Marta Berholts) فیزیک‌دان و سرپرست تیم پژوهشگر است که در سال ۲۰۲۲ در گفت‌وگو با مجله New Scientist مطرح شد. او ادامه می‌دهد: «اما مزیت این روش آن است که نیازی به شروع شمارش ندارید. کافی است به ساختار تداخل نگاه کنید و بگویید: بسیار خب، چهار نانوثانیه گذشته است.»
کاربردها و چشم‌اندازها
کتابچه‌ای از بسته‌های موجی ریدبرگ که در حال تحول هستند، می‌تواند به‌عنوان مرجع مورد استفاده قرار گیرد و همراه با سایر روش‌های طیف‌سنجی پمپ–پروب به کار گرفته شود. این موضوع به‌ویژه در شرایطی سودمند است که تمایز میان «اکنون» و «آن‌گاه» روشن نیست یا اندازه‌گیری مستقیم آن بسیار دشوار یا غیرعملی است.
اهمیت این یافته در آن است که هیچ‌یک از این اثر انگشت‌ها به یک نقطه‌ی شروع و پایان نیاز ندارند. این وضعیت را می‌توان به مسابقه‌ی دویدن تشبیه کرد؛ جایی که دونده ناشناخته‌ای را نه با زمان‌سنجی مطلق، بلکه با مقایسه با گروهی از دوندگان با سرعت مشخص ارزیابی می‌کنیم.
به کمک این روش، پژوهشگران توانستند رویدادهایی را در مقیاسی به کوچکی ۱٫۷ تریلیونیم ثانیه (۱.۷ فمتوثانیه) برچسب‌گذاری زمانی کنند. چنین دقتی برای مطالعه فرآیندهای فوق‌سریع در دنیای کوانتوم بی‌نظیر است.
در آینده می‌توان آزمایش‌ها را با استفاده از اتم‌های دیگر به‌جای هلیوم یا با به‌کارگیری پالس‌های لیزر با انرژی‌های متفاوت انجام داد. این امر موجب گسترش کتابچه اثر انگشت‌های زمانی و سازگار شدن آن با شرایط گوناگون خواهد شد.
نتیجه‌گیری
پژوهش دانشگاه اوپسالا که در نشریه Physical Review Research منتشر شد، چشم‌اندازی نوین برای سنجش زمان در مقیاس کوانتومی گشود. این روش نه تنها وابستگی به یک «آغاز» یا «پایان» مشخص را برطرف می‌کند، بلکه دقتی شگفت‌انگیز در حد فمتوثانیه‌ها فراهم می‌آورد.
اگرچه نسخه‌ی اولیه این مقاله در اکتبر ۲۰۲۲ منتشر شده بود، اما یافته‌های تکمیلی آن نشان می‌دهد که ما در آستانه درکی تازه از مفهوم زمان در کوچک‌ترین مقیاس‌های جهان هستیم. شاید در آینده نه‌چندان دور، «ساعت‌های کوانتومی» بر پایه اثر انگشت‌های ریدبرگ، نقش مهمی در فناوری‌های پیشرفته مانند رایانش کوانتومی و مطالعه فرآیندهای فوق‌سریع ایفا کنند.
