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 абсолютной точностью невозможно. Наиболее распространенным примером являются положение и импульс: точность определения местоположения частицы обратно пропорциональна точности, с которой можно определить ее импульс, и наоборот. Это явление не связано с несовершенством измерительного оборудования, а является фундаментальным свойством, присущим природе.
Естественные ограничения препятствуют прогрессу в области создания высокочувствительных технологий. Любая точность измерений в конечном счете ограничена так называемым «стандартным квантовым пределом» – наилучшим результатом, который можно получить, используя классические методы. Для преодоления этого предела необходимы подходы, позволяющие обойти ограничения, не противоречащие фундаментальным законам природы.
Команда физиков из Австралии и Великобритании разработала новый подход. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Ученые не опровергли принцип Гейзенберга, а разработали способ его обхода, перераспределив неизбежную квантовую неопределенность. Они провели аналогию с воздухом внутри воздушного шара: его невозможно удалить, не повредив шар, но можно сжать и переместить в другую его часть. Исследователи «перенесли» неопределенность в те области измерений, которые были для них неважны – в величины, имеющие большой разброс. Это дало возможность с высокой точностью фиксировать интересующие их незначительные изменения.
Используя колебания единственного захваченного иона иттербия, выступавшего в роли квантового маятника, исследователи подготовили его с помощью лазеров к особому «решетчатому состоянию», позаимствованному из области квантовых вычислений. Вместо непосредственного измерения положения и импульса, они определяли их «модульные» аналоги.
Это аналогично тому, как если бы бесконечную линейку свернули в кольцо: при измерении утрачивается информация о том, на каком «витке» 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. Данная методика не предназначена для замены уже существующих решений, а скорее 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.