ในโลกของเราที่มีนาฬิกาเดินและลูกตุ้มแกว่งไปมา ดูเหมือนว่ากาลเวลาจะเพียงแค่เป็นการนับเพียงวินาทีระหว่าง "อดีต" และ "ปัจจุบัน" เท่านั้น

อย่างไรก็ตาม ในระดับควอนตัม อิเล็กตรอนจะกระโจนไปมาอย่างไม่สามารถคาดเดาได้ ทำให้ "อดีต" ไม่แน่นอน และ "ปัจจุบัน" ก็พร่ามัว นาฬิกาจับเวลาแบบธรรมดาไม่มีประโยชน์ในบริบทดังกล่าว

ในปี 2022 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Uppsala ของสวีเดนเสนอวิธีแก้ปัญหาโดยค้นหาคำตอบในรูปแบบของหมอกควอนตัม พวกเขาทดลองกับคุณสมบัติคลื่นของสถานะ Rydberg ซึ่งเปิดเผยวิธีการใหม่ในการวัดเวลาโดยไม่ต้องมีจุดเริ่มต้นที่ชัดเจน

อะตอม Rydberg ซึ่งมักถูกเปรียบเทียบกับ "ลูกโป่ง" ในโลกของอนุภาค ขยายตัวด้วยเลเซอร์แทนที่จะเป็นอากาศ อิเล็กตรอนของอะตอมเหล่านี้ถูกผลักไปยังระดับพลังงานที่สูงมาก โดยโคจรอยู่ไกลจากนิวเคลียส

อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าพัลส์เลเซอร์ทุกครั้งจะทำให้อะตอมพองตัวเป็นสัดส่วน "แบบการ์ตูน" บ่อยครั้ง เลเซอร์ถูกนำมาใช้เพื่อกระตุ้นอิเล็กตรอนอย่างอ่อนโยนไปยังสถานะพลังงานที่สูงขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ทางวิทยาศาสตร์ต่างๆ

ในบางแอปพลิเคชัน เลเซอร์ตัวที่สองสามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของอิเล็กตรอนเพื่อติดตามการผ่านไปของเวลา เทคนิค "ปั๊ม-โพรบ" นี้มักใช้ในการวัดความเร็วของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความเร็วสูง

การกระตุ้นอะตอมในสถานะริดเบิร์กเป็นเครื่องมือที่มีค่าสำหรับวิศวกรที่ออกแบบส่วนประกอบการคำนวณควอนตัมใหม่ นักฟิสิกส์มีความรู้มากมายเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสถานะเหล่านี้

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเป็นหน่วยควอนตัม การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจึงห่างไกลจากความเป็นระเบียบ คล้ายกับเกมรูเล็ตที่การกระโดดแต่ละครั้งเต็มไปด้วยความสุ่ม

กฎทางคณิตศาสตร์ที่ควบคุม "รูเล็ต" อิเล็กตรอนของไรด์เบิร์กนี้เรียกว่ากลุ่มคลื่นไรด์เบิร์ก เช่นเดียวกับคลื่นจริง เมื่อกลุ่มคลื่นหลายกลุ่มมาบรรจบกัน พวกมันจะสร้างรูปแบบการรบกวนที่ไม่ซ้ำใคร

เมื่อกลุ่มคลื่นไรด์เบิร์กจำนวนเพียงพอมาบรรจบกันใน "บ่อ" อะตอมเดียวกัน รูปแบบระลอกคลื่นเฉพาะตัวของพวกมันสามารถแสดงถึงเวลาที่จำเป็นสำหรับวิวัฒนาการร่วมกันของพวกมันได้

“ลายนิ้วมือ” ในช่วงเวลาดังกล่าวทำให้บรรดานักฟิสิกส์ที่ทำการทดลองเกิดความสนใจ พวกเขาได้แสดงให้เห็นว่า “ลายนิ้วมือ” เหล่านี้มีความเสถียรและเชื่อถือได้เพียงพอที่จะใช้เป็นวิธีการควอนตัมในการทำเครื่องหมายเวลาได้

ทีมวิจัยได้วัดผลลัพธ์ของอะตอมฮีเลียมที่ถูกกระตุ้นด้วยเลเซอร์และเปรียบเทียบกับการคาดการณ์ทางทฤษฎี แสดงให้เห็นว่าผลลัพธ์ที่ไม่เหมือนใครเหล่านี้สามารถทำเครื่องหมายการผ่านไปของเวลาได้อย่างไร

“หากคุณใช้ตัวนับ คุณจะต้องกำหนดจุดเริ่มต้นเพื่อเริ่มนับ” ดร. มาร์ตา เบอร์โฮลต์ส จากมหาวิทยาลัยอุปซอลา อธิบายในการสัมภาษณ์กับนิตยสาร New Scientist เมื่อปี 2022 “ข้อดีของวิธีนี้คือคุณไม่จำเป็นต้องเริ่มนาฬิกา คุณเพียงแค่สังเกตโครงสร้างการรบกวนแล้วบอกว่า 'โอ้ ผ่านไป 4 นาโนวินาทีแล้ว'

คู่มือสำหรับแพ็คเก็ตคลื่น Rydberg ที่พัฒนาอย่างต่อเนื่องอาจรวมเข้ากับเทคนิคการสเปกโตรสโคปีแบบปั๊ม-โพรบอื่นๆ เพื่อวัดเหตุการณ์ในระดับจุลภาคที่ "ปัจจุบัน" และ "อดีต" ไม่ชัดเจนหรือยากต่อการกำหนด

ประเด็นสำคัญคือลายนิ้วมือเวลาเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องมี "อดีต" หรือ "ปัจจุบัน" เป็นจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุด ซึ่งคล้ายกับการจับเวลาผู้วิ่งที่ไม่รู้จักโดยใช้กลุ่มผู้วิ่งที่มีความเร็วคงที่

โดยการสังเกตสัญญาณรบกวนสถานะ Rydberg ในตัวอย่าง ช่างเทคนิคสามารถจับเวลาเหตุการณ์ได้สั้นถึง 1.7 พิโควินาที

การทดลองจับเวลาด้วยควอนตัมในอนาคตอาจใช้อะตอมอื่นที่ไม่ใช่ฮีเลียมหรือใช้พัลส์เลเซอร์ที่มีพลังงานแตกต่างกัน ซึ่งจะช่วยขยายฐานข้อมูลลายนิ้วมือเวลาให้ตอบสนองความต้องการที่หลากหลาย