Физики из Австралии и Великобритании изменили квантовую неопределённость, чтобы обойти ограничения, налагаемые знаменитым принципом неопределённости Гейзенберга. Это достижение может стать основой для будущих технологий сверхточных датчиков, используемых в навигации, медицине и астрономии.
Принцип неопределённости Гейзенберга
Принцип неопределённости Гейзенберга, сформулированный в 1927 году, гласит, что невозможно одновременно точно определить некоторые пары свойств частицы, например, её положение и импульс. Другими словами, всегда существует компромисс в неопределённости: чем точнее определено одно свойство, тем меньше уверенности в другом.
Исследование опубликовано в Science Advances
Команда под руководством доктора Тингрея Тана из Нано-института Сиднейского университета и Школы физики показала, как можно добиться другого компромисса для точного одновременного измерения положения и импульса.
«Представьте неопределённость как воздух в воздушном шаре, — сказал доктор Тан. — Вы не можете убрать его, не лопнув шар, но можете сжать его, чтобы переместить. Это то, что мы сделали. Мы перенесли неизбежную квантовую неопределённость в места, которые нам не важны (большие, грубые скачки положения и импульса), чтобы мелкие детали, которые нас интересуют, можно было измерить более точно».
Использование аналогий для объяснения результатов
Исследователи также используют аналогию с часами, чтобы объяснить свои выводы. Представьте обычные часы с двумя стрелками: часовой и минутной. Теперь представьте, что у часов только одна стрелка. Если это часовая стрелка, вы можете определить, какой сейчас час, и примерно какую минуту, но минутное показание будет очень неточным. Если у часов только минутная стрелка, вы можете очень точно определить минуты, но потеряете представление о более крупном контексте — конкретно, о том, какой сейчас час.
Применение стратегии в квантовых системах
Применяя эту стратегию в квантовых системах, можно измерить изменения как положения, так и импульса частицы гораздо точнее, — сказал первый автор доктор Кристоф Валаху из лаборатории квантового управления Сиднейского университета. — Мы отказываемся от глобальной информации, но получаем возможность обнаруживать крошечные изменения с беспрецедентной чувствительностью».
Объяснение стратегии
Эта стратегия была теоретически описана в 2017 году. Здесь команда доктора Тана выполнила первую экспериментальную демонстрацию, используя технологический подход, который они ранее разработали для квантовых компьютеров с коррекцией ошибок.
«Это аккуратный переход от квантовых вычислений к зондированию, — сказал соавтор профессор Николас Меникуччи, теоретик из Университета RMIT. — Идеи, сначала разработанные для надёжных квантовых компьютеров, можно перепрофилировать так, чтобы датчики улавливали более слабые сигналы, не заглушаемые квантовым шумом».
Использование квантовых датчиков
Команда из Сиднея реализовала протокол зондирования, используя крошечное вибрационное движение захваченного иона — квантовый эквивалент маятника. Они подготовили ион в «сетчатых состояниях», своего рода квантовом состоянии, первоначально разработанном для квантовых вычислений с коррекцией ошибок. С его помощью они показали, что как положение, так и импульс можно измерить вместе с точностью, превышающей «стандартный квантовый предел» — наилучший результат, достижимый с помощью только классических датчиков.
«Мы не нарушили принцип Гейзенберга. Наш протокол работает полностью в рамках квантовой механики, — сказал доктор Бен Барагиола, соавтор из RMIT. — Схема оптимизирована для малых сигналов, где мелкие детали важнее крупных».
Важность обнаружения чрезвычайно малых изменений
Способность обнаруживать чрезвычайно малые изменения важна для науки и техники. Сверхточные квантовые датчики могут улучшить навигацию в средах, где GPS не работает (например, в подводных лодках, под землёй или в космическом полёте); улучшить биологическое и медицинское изображение; контролировать материалы и гравитационные системы; или исследовать фундаментальную физику.
Новый фреймворк для будущих сенсорных технологий
Хотя эксперимент всё ещё находится на лабораторном этапе, он демонстрирует новый фреймворк для будущих сенсорных технологий, нацеленных на измерение крошечных сигналов. Вместо того чтобы заменять существующие подходы, он добавляет дополнительный инструмент в набор инструментов квантового зондирования.
«Подобно тому, как атомные часы изменили навигацию и телекоммуникации, квантовые датчики с повышенной чувствительностью могут открыть совершенно новые отрасли», — сказал доктор Валаху.
Международное сотрудничество
Этот проект объединил экспериментаторов из Сиднейского университета с теоретиками из RMIT, Университета Мельбурна, Университета Маккуори и Университета Бристоля в Великобритании. Он показывает, как сотрудничество между учреждениями и границами может ускорить прогресс и укрепить австралийское сообщество квантовых исследований.
«Эта работа подчёркивает силу сотрудничества и международных связей, которые способствуют открытиям», — сказал доктор Тан.
Предоставлено
* [Университет Сиднея](https://phys.org/partners/university-of-sydney/)
Больше из раздела
* [Квантовая физика](https://www.physicsforums.com/forums/quantum-physics.62/)
Информация может быть фундаментальной частью Вселенной
Более века физика строится на двух великих теориях. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет гравитацию как искривление пространства и времени. Квантовая механика управляет миром частиц и полей. Обе теории блестяще работают в своих областях. Но объедините их, и появятся противоречия — особенно когда речь идёт о чёрных дырах, тёмной материи, тёмной энергии и происхождении космоса.
Новый способ преодоления разрыва
Мы с коллегами исследуем новый способ преодоления этого разрыва. Идея состоит в том, чтобы рассматривать информацию — не материю, не энергию, не даже само пространство-время — как наиболее фундаментальный ингредиент реальности. Мы называем эту структуру квантовой матрицей памяти (QMM).
Квантовая матрица памяти
В основе лежит простое, но мощное утверждение: пространство-время не гладкое, а дискретное — состоит из крошечных «ячеек», как предполагает квантовая механика. Каждая ячейка может хранить квантовый отпечаток каждого взаимодействия, например, прохождения частицы или даже влияния такой силы, как электромагнетизм или ядерные взаимодействия. Каждое событие оставляет после себя крошечное изменение локального квантового состояния ячейки пространства-времени.
Вселенная не просто развивается
История начинается с парадокса информации чёрной дыры. Согласно теории относительности, всё, что попадает в чёрную дыру, исчезает навсегда. Согласно квантовой теории, это невозможно. Информация не может быть уничтожена.
QMM предлагает выход. Когда материя падает, окружающие ячейки пространства-времени записывают её отпечаток. Когда чёрная дыра в конце концов испаряется, информация не теряется. Она уже записана в памяти пространства-времени.
Этот механизм математически описывается с помощью того, что мы называем оператором отпечатка, обратимым правилом, которое обеспечивает сохранение информации. Сначала мы применили это к гравитации. Но затем мы спросили: что насчёт других сил природы? Оказывается, они вписываются в ту же картину.
Следы в пространстве-времени
В наших моделях, предполагая, что ячейки пространства-времени существуют, сильные и слабые ядерные силы, которые удерживают атомные ядра вместе, также оставляют следы в пространстве-времени. Позже мы расширили фреймворк до электромагнетизма (хотя эта статья в настоящее время проходит рецензирование). Даже простое электрическое поле изменяет состояние памяти ячеек пространства-времени.
Это привело нас к более широкому принципу, который мы называем геометрией-информационной двойственностью. В этом представлении форма пространства-времени определяется не только массой и энергией, как учил нас Эйнштейн, но и тем, как распределяется квантовая информация, особенно через запутанность.
Тёмная материя и тёмная энергия
В одном исследовании, которое в настоящее время проходит рецензирование, мы обнаружили, что скопления отпечатков ведут себя так же, как тёмная материя, неизвестное вещество, составляющее большую часть материи во Вселенной. Они группируются под действием гравитации и объясняют движение галактик, которые, по-видимому, вращаются с неожиданно высокими скоростями, без необходимости каких-либо экзотических новых частиц.
В другом исследовании мы показали, как может появиться тёмная энергия. Когда ячейки пространства-времени насыщаются, они не могут записывать новую независимую информацию. Вместо этого они вносят вклад в остаточную энергию пространства-времени. Интересно, что этот остаточный вклад имеет ту же математическую форму, что и «космологическая постоянная», или тёмная энергия, которая заставляет Вселенную расширяться с ускоряющейся скоростью.
Циклическая Вселенная
Если пространство-время имеет конечную память, что происходит, когда оно заполняется? Наша последняя космологическая статья, принятая к публикации в The Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, указывает на циклическую Вселенную — рождающуюся и умирающую снова и снова. Каждый цикл расширения и сжатия вносит больше энтропии — меры беспорядка — в бухгалтерскую книгу. Когда предел достигнут, Вселенная «отскакивает» в новый цикл.
Предоставлено
* [The Conversation](https://phys.org/partners/the-conversation/)
Больше из раздела
* [Другие темы физики](https://www.physicsforums.com/forums/other-physics-topics.111/)
Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Читайте оригинальную статью.
Science Advances, a team led by Dr. Tingrei Tan from the University of Sydney Nano Institute and School of Physics has shown how to engineer a different trade-off to precisely measure position and momentum at the same time.”,”\”Think of uncertainty like air in a balloon,\” said Dr. Tan, a Sydney Horizon Fellow in the Faculty of Science. \”You can’t remove it without popping the balloon, but you can squeeze it around to shift it. That’s effectively what we’ve done. We push the unavoidable quantum uncertainty to places we don’t care about (big, coarse jumps in position and momentum) so the fine details we do care about can be measured more precisely.\””,”The researchers also use the analogy of a clock to explain their findings. Think of a normal clock with two hands: the hour hand and the minute hand. Now imagine the clock only has one hand. If it’s the hour hand, you can tell what hour it is and roughly what minute, but the minute reading will be very imprecise. If the clock only has the minute hand, you can read the minutes very precisely, but you lose track of the larger context—specifically, which hour you’re in. This ‘modular’ measurement sacrifices some global information in exchange for much finer detail.”,”\”By applying this strategy in quantum systems, we can measure the changes in both position and momentum of a particle far more precisely,\” said first author Dr. Christophe Valahu from the Quantum Control Laboratory team at the University of Sydney. \”We give up global information but gain the ability to detect tiny changes with unprecedented sensitivity.\””,”This strategy was outlined theoretically in 2017. Here, Dr. Tan’s team performed the first experimental demonstration by using a technological approach they had previously developed for error-corrected quantum computers, a result recently published in Nature Physics.”,”\”It’s a neat crossover from quantum computing to sensing,\” said co-author Professor Nicolas Menicucci, a theorist from RMIT University. \”Ideas first designed for robust quantum computers can be repurposed so that sensors pick up weaker signals without being drowned out by quantum noise.”,”The Sydney team implemented the sensing protocol using the tiny vibrational motion of a trapped ion—the quantum equivalent of a pendulum. They prepared the ion in \”grid states,\” a kind of quantum state originally developed for error-corrected quantum computing. With this, they showed that both position and momentum can be measured together with precision beyond the ‘standard quantum limit’—the best achievable using only classical sensors.”,”\”We haven’t broken Heisenberg’s principle. Our protocol works entirely within quantum mechanics,\” said Dr. Ben Baragiola, co-author from RMIT. \”The scheme is optimized for small signals, where fine details matter more than coarse ones.”,”The ability to detect extremely small changes is important across science and technology. Ultra-precise quantum sensors could sharpen navigation in environments where GPS doesn’t work (such as submarines, underground or spaceflight); enhance biological and medical imaging; monitor materials and gravitational systems; or probe fundamental physics.”,”While still at the laboratory stage, the experiment demonstrates a new framework for future sensing technologies targeted towards measuring tiny signals. Rather than replacing existing approaches, it adds a complementary tool to the quantum-sensing toolbox.”,”\”Just as atomic clocks transformed navigation and telecommunications, quantum-enhanced sensors with extreme sensitivity could enable whole new industries,\” said Dr. Valahu.”,”This project united experimentalists at the University of Sydney with theorists at RMIT, the University of Melbourne, Macquarie University and the University of Bristol in Britain. It shows how collaboration across institutions and borders can accelerate progress and strengthen Australia’s quantum research community.”,”\”This work highlights the power of collaboration and the international connections that drive discovery,\” Dr. Tan said.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Sydney\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник