Un equipo de investigación de la Universidad de Uppsala (Suecia) propuso recientemente un nuevo método de medición del tiempo. La característica más importante es que no es necesario conocer de antemano el momento de inicio del evento en el experimento, que es el "punto de tiempo cero" en el sentido tradicional. Este método se basa en el comportamiento de evolución cuántica de los átomos de helio en un estado fuertemente excitado. Al analizar su característica "huella digital" que cambia con el tiempo después de una irradiación de luz de pulso corto, puede leer directamente el tiempo transcurrido, proporcionando una nueva herramienta de escala de tiempo para procesos físicos y químicos ultrarrápidos que no pueden determinar con precisión el momento inicial.
En este trabajo, los investigadores utilizaron por primera vez pulsos cortos de luz para excitar átomos de helio en un conjunto de los llamados estados de Rydberg y colocaron los átomos en un "estado de superposición" cuántico en el que se superponen múltiples estados de Rydberg. El estado de Rydberg es un tipo de estado atómico excitado con energía extremadamente alta y electrones muy alejados del núcleo. Es extremadamente sensible al medio ambiente. La superposición cuántica significa que los átomos existen en múltiples estados cuánticos al mismo tiempo, y su evolución general a lo largo del tiempo formará una estructura compleja de paquetes de ondas. El método tradicional consiste en cronometrar con precisión el tiempo desde el momento de la excitación, pero el punto de partida de este estudio es aplicar un segundo pulso de luz después de un cierto tiempo, medir la probabilidad de que los átomos de helio se ionicen, es decir, pierdan electrones y se conviertan en iones cargados, y luego comparar estos resultados de medición con el modelo teórico para deducir el tiempo que ha pasado desde la formación del estado de Rydberg.
Johan Söderström, el líder del equipo de investigación, compara claramente este proceso con "leer una cinta métrica": no es necesario ver a alguien empezando a medir la distancia desde la marca cero. Basta con mirar la lectura actual y podrá saber si la diferencia de distancia desde el punto de partida es de 5 centímetros o de 4000 metros. En este método, la superposición de los estados de Rydberg de los átomos de helio evoluciona con el tiempo, dejando un patrón de cambio único en los observables: la llamada "huella digital" del tiempo, que equivale a la proyección de la evolución de los paquetes de ondas cuánticas en el espacio de observación. Al analizar esta huella digital y compararla con cálculos teóricos, los investigadores pueden leer directamente la "distancia temporal" específica desde la generación del paquete de ondas hasta el momento de la observación simplemente observando dentro de una ventana de tiempo limitada.
El artículo señala que esta huella cuántica también tiene una función de "autoverificación": la estructura detallada del paquete de ondas que evoluciona con el tiempo proporciona una verificación de coherencia interna para la escala de tiempo correspondiente, mejorando así la confiabilidad de los resultados de la medición. En términos de experimentos específicos, el equipo combinó simulación teórica y tecnología de espectroscopia fotoelectrónica de resolución temporal, es decir, utilizando dos haces de pulsos de luz con intervalos de tiempo controlados con precisión. Un haz se utiliza para excitar átomos de helio para formar paquetes de ondas en estado de Rydberg, y el otro haz se utiliza para eliminar electrones y registrar la evolución de la señal del fotoelectrón a lo largo del tiempo. Los resultados experimentales son muy consistentes con las predicciones teóricas, lo que indica que este método no sólo puede obtener información temporal, sino también inferir diferencias sutiles de energía, como "defectos cuánticos" en el estado de Rydberg de los átomos de helio, ayudando así a profundizar la comprensión de la estructura atómica.
Los investigadores volvieron a utilizar la analogía de una cinta métrica: al registrar distancias cortas, solo es necesario leer una pequeña sección de la escala de la cinta, mientras que para medir distancias largas se requiere un rango de escala más largo. En correspondencia con la medición del tiempo, si el evento está muy cerca del "punto de partida desconocido", basta con observar las huellas dactilares en un intervalo de tiempo más corto para restaurar el tiempo; para evoluciones más alejadas del punto de partida, se deben registrar huellas dactilares en un período de tiempo más largo para garantizar que coincida con la escala de tiempo correcta. Por lo tanto, este método no es un proceso de medición único que sea estático, sino que ajusta dinámicamente la cantidad de datos necesarios según el período de tiempo que se va a medir, proporcionando una solución de temporización cuántica flexible para experimentos en diferentes escalas de tiempo.
Vale la pena señalar que la mayor parte del trabajo experimental para este estudio se realizó en las instalaciones HELIOS del laboratorio Ångström durante la pandemia de coronavirus y en el contexto del cierre temporal de algunas instalaciones de la Universidad de Uppsala. En un entorno relativamente cerrado, el equipo pudo concentrarse en utilizar el tiempo experimental para verificar y optimizar repetidamente el método de la huella digital del tiempo. Después de demostrar inicialmente que el método es factible, los investigadores propusieron además que en el futuro se espera que este método se extienda a sistemas moleculares, como por ejemplo para estudiar el proceso de disociación molecular y su impacto en el estado de Rydberg, para evaluar la aplicabilidad universal de esta tecnología en sistemas físicos más complejos.
Aunque este nuevo enfoque es conceptualmente capaz de proporcionar una escala de tiempo absoluta, no está diseñado para reemplazar los relojes tradicionales utilizados en la vida diaria. El equipo de investigación dejó claro que es más adecuado como herramienta especial en experimentos de espectroscopia de sonda de bomba para escenarios en los que es necesario observar la rápida evolución del proceso con una resolución de tiempo extremadamente corta. En tales experimentos, el primer pulso desencadena el proceso y el segundo pulso es responsable de tomar una "instantánea del tiempo". Sin embargo, el momento inicial suele ser difícil de definir con precisión o incluso de observar directamente. Se espera que este conjunto de métodos de huellas dactilares cuánticas proporcione una escala de tiempo absoluta para estos procesos rápidos sin determinar primero el "punto cero del tiempo".
Desde una perspectiva más amplia, esta investigación proporciona una nueva idea para medir el tiempo bajo la condición de "sin información de punto de partida", es decir, confiando completamente en la evolución del propio estado cuántico para codificar y decodificar la información del tiempo, en lugar de utilizar mecanismos de conteo tradicionales. Los investigadores señalan que este método no es adecuado para todo tipo de mediciones de tiempo, pero puede convertirse en una herramienta extremadamente precisa y complementaria con ventajas únicas en campos experimentales donde es difícil para las tecnologías existentes fijar con precisión el momento inicial, o cuando se estudian procesos ultrarrápidos dentro de átomos y moléculas. Los resultados relevantes se publicaron en revistas académicas y atrajeron la atención de instituciones como la Universidad de Uppsala y la Sociedad Estadounidense de Física. Se considera una exploración importante en el camino de la investigación de la medición del tiempo cuántico.