Ученые разработали теоретическую конструкцию квантовых часов, работающих по принципу маятниковых. В отличие от обычных атомных часов, требующих внешней синхронизации лазером, эта система является полностью автономной.
В основе предложенной модели — резонатор из двух зеркал, одно из которых неподвижно, а другое может совершать колебательные движения. Между ними помещен атом, способный находиться в трех энергетических состояниях. Из-за микроколебаний температуры атом переходит между этими состояниями, испуская фотоны. Фотоны отражаются от зеркал и заставляют подвижное зеркало колебаться — это аналог маятника. Сам атом при этом выполняет роль спускового механизма, обеспечивая стабильную последовательность «тиков».
Математический анализ показал, что при правильной настройке такая система будет генерировать стабильную и надежную последовательность колебаний — точно так же, как классический маятник, только в квантовом масштабе.
Главное отличие новой разработки в том, что она преодолевает так называемое «термодинамическое соотношение неопределенностей», которое ограничивало точность предыдущих автономных квантовых часов. Выяснилось, что точность этих часов прямо пропорциональна их необратимости — свойству, которое считается признаком надежного отсчета времени.
С точки зрения практической реализации, большинство необходимых компонентов (крошечные резонаторы и фотоны) уже используются в современных лабораториях. Однако создание миниатюрного квантового спускового механизма остается технически сложной, но выполнимой задачей.
По мнению физиков, изучение таких автономных квантовых часов важно для фундаментального понимания природы измерения времени. Это может помочь в исследовании явлений на стыке квантовой физики и теории гравитации, независимо от внешних эталонов времени.