Австралийские и британские физики меняют подход учёных к квантовым измерениям, преодолевая одну из главных проблем — принцип неопределённости Гейзенберга.
Новое исследование показало, как учёные могут одновременно точно измерять положение и импульс частицы. Исследователи надеются, что этот новый метод поможет в разработке сверхточных сенсорных технологий, которые могут быть использованы для улучшения навигации, медицины и астрономии.
«Так же, как атомные часы изменили навигацию и телекоммуникации, квантовые датчики с повышенной чувствительностью могут стать основой для совершенно новых отраслей», — говорит доктор Кристофер Валаху из команды лаборатории квантового контроля Сиднейского университета в Австралии.
Принцип неопределённости Гейзенберга
Принцип неопределённости Гейзенберга гласит, что невозможно одновременно знать с абсолютной точностью положение и импульс частицы. Чем точнее вы измеряете одно из свойств частицы, тем меньше вы знаете о другом.
Когда этот принцип был впервые открыт Вернером Гейзенбергом, он изменил подход учёных к квантовой физике, поскольку показал, что точное измерение как положения, так и импульса частицы невозможно.
Исследователи, возможно, нашли способ обойти неопределённость.
«Представьте неопределённость как воздух в воздушном шаре, — говорит доктор Тингреи Тан, возглавлявший исследование в Наномистском институте Сиднейского университета. — Вы не можете убрать его, не лопнув шар, но вы можете сжать его, чтобы переместить. Именно это мы и сделали».
«Мы перемещаем неизбежную квантовую неопределённость в места, которые нам не важны (большие, грубые скачки положения и импульса), чтобы более точно измерять мелкие детали, которые нас интересуют».
Экспериментальная демонстрация
Подход был впервые описан теоретически в 2017 году, а команда Тана теперь выполнила первую экспериментальную демонстрацию. Эксперимент был проведён с использованием технологического подхода, разработанного в предыдущем исследовании для квантовых компьютеров с коррекцией ошибок.
«Идеи, изначально разработанные для надёжных квантовых компьютеров, можно перепрофилировать так, чтобы датчики улавливали более слабые сигналы, не заглушаемые квантовым шумом», — говорит профессор Николас Меникуччи, соавтор исследования из университета RMIT.
«Это интересный переход от квантовых вычислений к сенсорам».
Команда использовала микроскопическое вибрационное движение захваченного иона для реализации протокола измерения. Эти ионы были подготовлены в «сетчатых состояниях», типе состояний, используемых в квантовых вычислениях с коррекцией ошибок.
Такие сетчатые состояния позволяют измерять крошечные сигналы, указывающие на положение и импульс. Измерения были собраны с точностью, превышающей наилучшие результаты, достигнутые с помощью только классических датчиков.
«Применяя эту стратегию в квантовых системах, мы можем гораздо точнее измерять изменения как положения, так и импульса частицы», — говорит Валаху.
«Мы отказываемся от глобальной информации, но получаем возможность обнаруживать крошечные изменения с беспрецедентной чувствительностью».
Именно эта способность обнаруживать мельчайшие изменения, по мнению команды, может повлиять на будущее технологий. Они предполагают, что точные квантовые датчики могут помочь улучшить навигационные системы глубоко под землёй, на подводных лодках или даже в космосе, где обычный GPS не так эффективен. Это также может помочь улучшить медицинское и биологическое изображение.
«Мы не нарушили принцип Гейзенберга. Наш протокол работает полностью в рамках квантовой механики», — сказал доктор Бен Барагиола, соавтор исследования из RMIT.
«Схема оптимизирована для слабых сигналов, где мелкие детали важнее крупных».
Исследователи надеются, что этот прорыв откроет дверь для разработки более эффективного инструментария квантовых датчиков.
«Эта работа подчёркивает силу сотрудничества и международных связей, которые способствуют открытиям», — говорит Тан.
Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Science Advances.