超低温原子時計が時間の量子効果を探る
科学者たちは、量子物理学が時間の流れにどのように影響するかを検出できる可能性のある、極めて精密な超低温原子時計を開発した。原子を絶対零度近くまで冷却することで、これらの装置は量子理論で予測される微妙な時間の変動を測定することを目指している。この研究はNature Communicationsに掲載され、基礎物理学のテストのための新たな道を開く。
ウォーリック大学の研究者たちで、物理学者のガビン・モーリー氏が率いるチームは、絶対零度からわずか数百万分の数度上の温度まで冷却されたストロンチウム原子を使用した超低温原子時計を作成した。これらの時計は、光学格子に原子を閉じ込め、レーザーを用いてその振動を追跡することで動作し、これが時計の針の仕組みとなる。これらの装置の精度は従来の原子時計を上回り、古典物理学では説明できない時間の量子変動を検出できる可能性がある。
この実験では、2つの時計を並べて長期間にわたりその速度を比較する。「量子力学が時間に影響を与えるなら、2つの時計の間にわずかな差異が見られるはずだ」とモーリー氏は研究で説明した。量子理論によると、微視的スケールでは、超位置や絡み合いなどの効果により時間が一様に流れない可能性があり、これはこれまでテストされていなかった現象である。
この研究は、2000年代初頭に初めて実証された光学格子時計の以前の進歩に基づいている。2024年10月16日にNature Communicationsに掲載された最新の論文で詳細が述べられたこの最新版は、10^-18のオーダーの安定性を達成しており、これは宇宙の年齢にわたって1秒も増減しないことを意味する。環境ノイズから量子効果を分離することで、これらの時計は量子力学と一般相対性理論を統一しようとする理論で予測される不一致を明らかにできる可能性がある。
この影響は量子重力研究やGPS技術の改善に及び、わずかな時間誤差でも蓄積する可能性がある。しかし、10^-20秒という予測される変動を検出するための実験のスケーリングを含む課題が残っている。チームはこれらの限界を押し広げるためのさらなる改良を計画しており、量子レベルでの時間の理解を潜在的に再構築する可能性がある。
これまでにこのような方法で量子時間拡張を直接探求した実験はなく、これは実験物理学における先駆的な取り組みである。