Физики нашли способ преодолеть ограничения фундаментального закона природы

Ученые из Австралии и Великобритании показала, что можно измерять положение и импульс частицы с гораздо большей точностью, чем это считалось возможным до сих пор. Речь идет об оригинальной перестановке квантовой неопределенности, открывающей путь к созданию сверхчувствительных сенсоров. Работа опубликована в журнале Nature Physics.

Принцип неопределенности Гейзенберга, сформулированный еще в 1927 году, утверждает, что невозможно одновременно с бесконечной точностью знать сразу два параметра частицы, например ее координату и скорость. Чем точнее одно — тем ошибочнее другое.

Команда под руководством Тингрея Тана из Института нанотехнологий Сиднейского университета нашла способ «сместить» эту неопределенность.

«Представьте шарик, наполненный воздухом. Вы не можете убрать воздух совсем, но можете передвинуть его из одной части шарика в другую. Мы сделали то же самое с квантовой неопределенностью: убрали ее из областей, которые для нас не важны, и сосредоточили точность на тех характеристиках, которые действительно нужны», — объяснил ученый.

Вместо того чтобы жертвовать мелкими деталями ради общей картины, как это обычно происходит в квантовых измерениях, исследователи предложили противоположный подход. Они отказались от «глобальной информации», чтобы максимально четко фиксировать малейшие изменения.

В качестве эксперимента физики использовали ион, зажатый в ловушке и колеблющийся как крошечный маятник. Его состояние подготовили в особом «сеточном» виде — такие квантовые состояния ранее предлагались для создания устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров. Оказалось, что в них положение и импульс можно измерять одновременно и с точностью выше стандартного квантового предела, который доступен для обычных сенсоров.

«Мы не нарушаем принцип Гейзенберга — все работает в рамках квантовой механики. Просто мы пожертвовали частью информации, которая нас не интересует, ради невероятной чувствительности к малым сигналам», — подчеркнул соавтор работы Бен Бараджиола.

По словам ученых, такая технология в будущем позволит создавать сенсоры, способные фиксировать едва заметные изменения. Они могут найти применение в медицине, геологии, астрономии, при управлении транспортом там, где GPS не работает — например, в подземельях, под водой или в космосе.

«Подобно тому как атомные часы преобразили навигацию и связь, новые квантовые сенсоры могут открыть целые индустрии», — заключил Кристоф Валахю из Лаборатории квантового контроля Сиднейского университета.