Trong thế giới của những chiếc đồng hồ tích tắc và con lắc đung đưa của chúng ta, thời gian trôi qua dường như chỉ đơn giản là đếm những giây giữa "quá khứ" và "hiện tại".

Tuy nhiên, ở quy mô lượng tử, các electron nhảy xung quanh một cách không thể đoán trước, khiến "quá khứ" trở nên không chắc chắn và "hiện tại" trở nên mờ ảo. Đồng hồ bấm giờ thường vô dụng trong bối cảnh như vậy.

Vào năm 2022, các nhà nghiên cứu từ đại học Uppsala của Thụy Điển đã đề xuất một giải pháp bằng cách tìm ra câu trả lời trong các mô hình sương mù lượng tử. Họ đã thử nghiệm với các đặc tính sóng của trạng thái Rydberg, tiết lộ một cách mới để đo thời gian mà không cần điểm khởi đầu chính xác.

Physicists Discover a New Way to Measure Time | Quantum Timekeeping Explained

Video by GSS Information

Các nguyên tử Rydberg, thường được so sánh với "khinh khí cầu" trong thế giới hạt, giãn nở bằng tia laser thay vì không khí. Các electron của chúng được đẩy lên mức năng lượng cực cao, quay quanh hạt nhân rất xa.

Tuy nhiên, không phải mọi xung laser đều làm phồng các nguyên tử lên đến tỷ lệ "phi thực tế". Thông thường, tia laser được sử dụng để nhẹ nhàng kích thích các electron lên trạng thái năng lượng cao hơn cho nhiều mục đích khoa học khác nhau.

Trong một số ứng dụng, một tia laser thứ hai có thể theo dõi sự thay đổi vị trí của electron để theo dõi sự trôi qua của thời gian. Kỹ thuật "bơm-dò" này thường được sử dụng để đo tốc độ của các thiết bị điện tử cực nhanh.

Việc kích thích các nguyên tử vào trạng thái Rydberg là một công cụ có giá trị đối với các kỹ sư thiết kế các thành phần máy tính lượng tử mới. Các nhà vật lý có kiến thức sâu rộng về cách các electron di chuyển trong các trạng thái này.

Tuy nhiên, là các thực thể lượng tử, chuyển động của các electron không hề có trật tự, giống như trò chơi roulette, trong đó mỗi bước nhảy đều chứa đầy sự ngẫu nhiên.

Các quy tắc toán học chi phối "roulette" electron Rydberg này được gọi là các tập hợp sóng Rydberg. Giống như sóng thực, khi nhiều tập hợp hội tụ, chúng tạo ra các mẫu giao thoa độc đáo.

Khi đủ các tập sóng Rydberg hội tụ trong cùng một "ao" nguyên tử, các mẫu gợn sóng đặc biệt của chúng có thể biểu thị thời gian cần thiết để chúng tiến hóa lẫn nhau.

Những "dấu ấn" thời gian này đã thu hút các nhà vật lý tiến hành thí nghiệm. Họ chứng minh rằng những "dấu ấn" này đủ ổn định và đáng tin cậy để đóng vai trò là phương pháp lượng tử đánh dấu thời gian.

Nhóm nghiên cứu đã đo kết quả của các nguyên tử heli được kích thích bằng tia laser và so sánh chúng với các dự đoán lý thuyết, cho thấy cách những kết quả độc đáo này có thể đánh dấu sự trôi qua của thời gian.

"Nếu bạn sử dụng bộ đếm, bạn cần xác định điểm bắt đầu để bắt đầu đếm", Tiến sĩ Marta Berholts từ đại học Uppsala giải thích trong một cuộc phỏng vấn năm 2022 với New Scientist. "Ưu điểm của phương pháp này là bạn không cần phải khởi động đồng hồ; bạn chỉ cần quan sát cấu trúc giao thoa và nói, 'Ồ, 4 nano giây đã trôi qua".

Một hướng dẫn liên tục phát triển về các tập hợp sóng Rydberg có thể kết hợp với các kỹ thuật quang phổ bơm-dò khác để đo các sự kiện vi mô trong đó "hiện tại" và "quá khứ" bị mờ hoặc khó xác định.

Điều quan trọng là những dấu ấn thời gian này không yêu cầu "quá khứ" hoặc "hiện tại" làm điểm bắt đầu hoặc kết thúc. Nó giống như việc tính thời gian của một vận động viên chạy bộ vô danh bằng cách sử dụng một nhóm vận động viên chạy bộ có tốc độ nhất quán.

Bằng cách quan sát các tín hiệu nhiễu trạng thái Rydberg trong một mẫu, các kỹ thuật viên có thể tính thời gian cho các sự kiện ngắn tới 1,7 pico giây.

Các thí nghiệm tính thời gian lượng tử trong tương lai có thể sử dụng các nguyên tử khác ngoài heli hoặc sử dụng các xung laser có năng lượng khác nhau, mở rộng cơ sở dữ liệu về dấu ấn thời gian để đáp ứng các yêu cầu đa dạng.