Få begrepp inom fysiken är så välbekanta, men samtidigt så gåtfulla, som tiden. I Einsteins relativitetsteori är tiden inte absolut: dess förlopp beror på rörelse och gravitation. Men när detta kombineras med kvantfysik blir denna relativistiska form av tid ännu mer kontraintuitiv.
Testning av kvantöverlagringar av tid
Enligt kvantteorin kan själva tidens flöde existera i en äkta kvantöverlagring, där tiden går snabbare och långsammare samtidigt. Nu visar en ny artikel med titeln ”Quantum signatures of proper time in optical ion clocks”, publicerad i Physical Review Letters, att denna slående möjlighet snart kan testas i laboratoriet.
I detta arbete utforskar ett team under ledning av Igor Pikovski, biträdande professor i teoretisk fysik vid Stevens Institute of Technology, i samarbete med experimentgrupper ledda av Christian Sanner vid Colorado State University och Dietrich Leibfried vid National Institute of Standards and Technology (NIST), kvantaspekter av tidens flöde och hur dessa kan undersökas med atomur.
Deras resultat tyder på att samma kvantteknik som utvecklas för nästa generations klockor och kvantdatorer snart kan undersöka något mycket mer grundläggande: När en klocks rörelse följer kvantmekaniken kan dess rörelse existera i superposition, och med den även den registrerade tidens gång i sig.
Detta är analogt med Schrödingers berömda tankeexperiment, där den kontraintuitiva naturen hos kvantsuperposition illustreras av en katt som är både levande och död; här är det själva tidens gång som befinner sig i superposition, som en katt som är både ung och gammal på samma gång.
”Tiden spelar mycket olika roller i kvantteorin och i relativitetsteorin”, säger Pikovski. ”Vad vi visar är att genom att föra samman dessa två begrepp kan man avslöja dolda kvantsignaturer av tidsflödet som inte längre kan beskrivas av klassisk fysik.”
Relativitetsteori, klockor och tvillingparadoxen
I relativitetsteorin upplever varje klocka sitt eget tidsflöde, vilket i sin tur beror på hastighet och position. Till exempel skulle en klocka som rör sig med 10 m/s i 57 miljoner år ligga bara en sekund efter en annan klocka i vila. Detta har observerats och bekräftats med ultraprecisa klockor, såsom aluminiumjonklockor vid NIST.
Effekten illustreras ofta som ”tvillingparadoxen”: två identiska tvillingar åldras olika om en av dem gör en tur-och-retur-resa i hög hastighet. Men det finns en mer kontraintuitiv version: ”kvanttvillingparadoxen”. Kan en enda klocka uppleva två olika tider i en kvantsuperposition och bli både yngre och äldre samtidigt?
Enligt kvantteorin, som beskrevs av Pikovski och hans medarbetare för över ett decennium sedan, borde det hända. Hittills har sådana subtila effekter legat utanför experimentell räckvidd; men teamets nya teoretiska studie visar att atomklockor nu klarar uppgiften.
Hur avancerade jonklockor fungerar
Författarna till artikeln undersökte samspelet mellan relativistisk tid och kvanteffekter i atomklockor, såsom de som utvecklats vid NIST och vid Colorado State University, där forskare fångar enskilda joner (såsom aluminium eller ytterbium), kyler dem till nära absolut nollpunkt och manipulerar deras kvanttillstånd med laserpulser.
Resultaten av deras studie visar att genom att kombinera den snabbt förbättrade klocktekniken med kvantinformationstekniker utvecklade för kvantdatorer med infångade joner kan unika och hittills oupptäckta kvantegenskaper hos tiden observeras.
”Atomklockor är nu så känsliga att de kan upptäcka små skillnader i tiden orsakade av enbart termiska vibrationer vid extremt låga temperaturer”, säger Gabriel Sorci, doktorand vid Stevens Institute of Technology och medförfattare till artikeln. ”Men även vid absolut nollpunkt, grundtillståndet, kommer tickfrekvensen fortfarande att påverkas av enbart kvantfluktuationerna.”
Komprimerad rörelse och överlagrad tickning
Teamet gick ett steg längre. Istället för att bara kyla atomerna visar de att man istället kan manipulera själva vakuumet och skapa så kallade squeezed states där klockans position och hastighet uppvisar subtilt kvantbeteende.
Resultatet är en ny manifestation av relativistisk tid i kvantregimen, där superpositioner och sammanflätning av tid uppstår: en enda klocka kan mäta hur den tickar både snabbare och långsammare samtidigt, och sammanflätas med den komprimerade rörelsen. Teamet siktar nu på att demonstrera effekterna i laboratoriet.
”Vi har tekniken för att generera den nödvändiga komprimeringen och en väg att nå den klockprecision som krävs i jonklockor för att observera sådana effekter för första gången”, säger Sanner från Colorado State.
Vad detta betyder för grundläggande fysik
Med blicken riktad framåt pekar Pikovski, vars senaste arbete bland annat visar att enstaka gravitoner kan detekteras med hjälp av kvantteknik, på helhetsbilden.
”Fysiken är fortfarande full av mysterier på den mest grundläggande nivån. Kvanttekniken ger oss nu nya verktyg för att belysa dem.”
Publikationsuppgifter
Quantum signatures of proper time in optical ion clocks, Physical Review Letters (2026). doi.org/10.1103/qhj9-pc2b
