Разработанный квантовый метод значительно улучшил точность измерения положения и скорости частицы.

Новости МирТесен

Благодаря новому методу удалось одновременно определить положение и импульс частицы с точностью, превосходящую обычный квантовый предел. Данная технология позволяет обойти принцип неопределенности Гейзенберга, что создает возможности для разработки принципиально новых, высокоточных датчиков.

Квантовая механика базируется на принципе неопределенности, предложенном Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Согласно этому принципу, одновременное определение определенных пар характеристик частицы с неограниченной точностью невозможно. Наиболее распространенным примером являются положение и импульс: чем точнее определяется местоположение частицы, тем менее точно можно установить ее импульс, и наоборот. Это не связано с несовершенством измерительного оборудования, а является основополагающим свойством природы.

Его наличие формирует естественное ограничение для прогресса высокочувствительных технологий. В конечном счете, точность любых измерений определяется «стандартным квантовым пределом» – наилучшим результатом, который можно получить с использованием классических методов. Для преодоления этого ограничения необходимы стратегии, позволяющие обойти ограничения природы, не противореча ее фундаментальным принципам.

Команда физиков из Австралии и Великобритании разработала новый подход. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.

Ученые не опровергли принцип Гейзенберга, а разработали метод его обхода, используя перераспределение неизбежной квантовой неопределенности. Они провели аналогию с воздушным шаром: невозможно удалить воздух, не повредив его, но можно сжать и переместить в другую область. Специалисты «вытеснили» неопределенность в те области измерений, которые были для них неважными – в величины, имеющие большой порядок. Это обеспечило возможность измерения небольших изменений с высокой точностью.

Используя колебания отдельного иона иттербия, выступающего в роли квантового маятника, ученые провели эксперимент. Для подготовки иона в особое «решетчатое состояние» они применили лазеры, позаимствовав эту технику из области квантовых вычислений. Вместо непосредственного измерения положения и импульса, исследователи определяли их «модульные» эквиваленты.

Это аналогично тому, как если бы бесконечную линейку свернули в кольцо: при измерении утрачивается информация о том, на каком участке линейки расположена точка, но взамен возникает возможность с высокой точностью определить ее местоположение внутри этого кольца.

Ученые решили не использовать общую информацию о системе, а сосредоточились на фиксации незначительных изменений. Суть подхода заключается в том, что эти новые, модульные параметры, при корректной настройке, становятся совместимыми – по аналогии с понятием коммутации в физике. Для такой пары параметров ограничение принципа неопределенности в его традиционной форме перестает быть актуальным, что открывает возможность одновременного измерения.

Ион иттербия был создан в нестандартном, «решетчатом» состоянии. Если визуализировать состояние частицы на графике, где по осям изображены положение и импульс, то оно предстает в виде упорядоченной сетки, состоящей из множества выраженных пиков. Каждый пик в этой решетке соответствовал конкретным, дискретным значениям положения и импульса.

Ион подвергался незначительным отклонениям, после чего фиксировались изменения в его состоянии. При воздействии на систему небольшой внешней силой, вся структура смещалась на крайне малую величину. Физики использовали лазерные манипуляции для измерения этого сдвига, что позволяло им определять изменение положения и импульса с точностью, превышающей обычный квантовый предел.

Проверка метода была проведена также для другой пары несовместимых параметров – числа частиц и фазы. В итоге, точность измерений оказалась выше стандартного квантового предела: на 5,5 децибела для пары «положение – импульс» и на 3,2 децибела для пары «число – фаза».

Несмотря на то, что исследования проводятся в лабораторных условиях, они демонстрируют перспективную платформу для разработки сенсорных технологий будущего. Предложенный метод не призван заменить текущие решения, а расширяет возможности квантовой метрологии.

Использование этого принципа открывает возможности для разработки высокочувствительных сенсоров, необходимых для навигации в тех случаях, когда недоступен GPS, например, на подводных лодках или в космосе. Помимо этого, такие технологии могут быть применены в медицинской визуализации, для изучения гравитационных волн и в поисках темной материи.