Международен екип физици трансформират начина, по който учените подхождат към квантовите измервания, преодолявайки едно от най-големите им предизвикателства - принципа на неопределеността на Хайзенберг, който гласи, че е невъзможно едновременно да се измери местоположението и импулсът на частицата.
Работата на екипа разкрива метод за преразпределение на квантовата неопределеност, така че малки промени в позицията и импулса на частицата да могат да бъдат измерени едновременно с прецизност отвъд стандартния квантов лимит - всичко това без да се нарушава известният принцип на неопределеността на Хайзенберг.
Изследователският екип, стоящ зад забележителното постижение, предполага, че техните открития биха могли да разкрият нови пътища за изследвания в областта на ултрапрецизното наблюдение на недостижими досега нива, което би могло да позволи навигация в дълбокия космос, медицинско изобразяване и потенциални военни приложения като подводна навигация.
Когато немският физик Вернер Хайзенберг за първи път постулира принципа на неопределеността през 1927 г., технологията за тестване на неговата валидност е била в ранен етап на развитие. Оттогава няколко експеримента потвърждават очевидната невъзможност за едновременно измерване на определени двойки свойства на частиците, като импулс и местоположение. Колкото по-точно се измерва едно свойство, толкова по-малка е сигурността относно сдвоеното свойство.
Любопитни дали биха могли да намерят начин да заобиколят принципа на Хайзенберг, за да измерят точно импулса и местоположението на частицата, екип, ръководен от д-р Тингрей Тан (Tingrei Tan) от Наноинститута и Физическия факултет на Университета в Сидни, разработва специален експеримент. Според изявление описващо работата на екипа, групата е изградила система, предназначена да наблюдава малкото вибрационно състояние на задържан йон, установка, която изследователите описват като "квантовия еквивалент на махало".
Мрежово състояние
След това екипът се възползва от предишната работа на д-р Тан върху квантовите изчисления с коригиране на грешки. Екипът използва микроскопичното вибрационно движение на уловен йон, за да приложи протокола за наблюдение. Този йон е въведен в "мрежово състояние" (grid state).
Тези мрежови състояния са способни да измерват малки сигнали, които показват позиция и импулс. Измерванията са събрани с прецизност, по-добра от най-добрата, постигната само с помощта на класически сензори.
Чрез фина настройка на експеримента, екипът успешно показва, че импулсът и позицията на йон могат да бъдат измерени с ниво на прецизност, което те описват като отвъд "стандартната квантова граница". Тази граница се смята за най-добрата постижима прецизност, използваща само класически (неквантови) сензори.
"Отказваме се от глобална информация, но получаваме способността да откриваме малки промени с безпрецедентна чувствителност", посочва първият автор на изследването д-р Кристоф Валаху (Christopher Valahu) от екипа на Лабораторията за квантов контрол в Университета в Сидни.
"Идеите, първоначално разработени за надеждни квантови компютри, могат да бъдат пренасочени, така че сензорите да улавят по-слаби сигнали, без да бъдат заглушавани от квантов шум", обяснява професор Николас Меникучи (Nicolas Menicucci), съавтор на изследването от Кралския технологичен институт в Мелбърн. "Това е хубав преход от квантови изчисления към сензори."
Въпреки че превишаването на стандартния квантов лимит може да изглежда като пряко нарушение на принципа на неопределеността на Хайзенберг, изследователите заявяват, че всъщност не са нарушили никакви закони на физиката, а просто са намерили начин да ги заобиколят.
Балони и чсовници
За да обясни защо екипът е заобиколил принципа на Хайзенберг, а не го е нарушил, д-р Тан дава аналогия за несигурността като за въздуха в балон.
"Може да си представите неопределеността като въздух в балон", посочва д-р Тингрей Тан (Tingrei Tan), който ръководи изследването от Наноинститута към Университета в Сидни.
"Не може да го премахнете, без да спукате балона, но може да го пристиснете, за да го преместите. На практика това направихме."
"Ние преместваме неизбежната квантова неопределеност на място, което не ни интересува (големи, груби скокове в позицията и импулса), така че фините детайли, които ни интересуват, да могат да бъдат измерени по-точно."
Друга аналогия, предложена от изследователския екип, включва два часовника. За разлика от типичния часовник с две стрелки, единият от часовниците има само минутна стрелка, а другият има само часова стрелка. Часовникът с часова стрелка дава обща индикация за часа, но измерването на минутите е по-малко прецизно. Обратно, часовникът само с минутна стрелка дава по-точно, но по-малко специфично измерване, но "по-широкият контекст" на това се губи. Екипът отбелязва, че тази модулна способност за измерване "жертва известна глобална информация в замяна на много по-фини детайли".
Учените сравняват своята установка, която „заобикаля“ принципа на неопределеността на Хайзенберг, с часовник с една стрелка, жертвайки измерването на часа, за да измери точно минутата. Кредит: University of Sydney
Д-р Кристоф Валаху заявява, че прилагането на тази стратегия в квантови системи, като например тяхната експериментална установка, им позволява да измерват промените в импулса и позицията на частиците "много по-точно"
Новото изследване демонстрира как учените могат едновременно прецизно да измерват позицията и импулса на частица. Изследователите се надяват, че този нов метод би могъл да помогне за разработването на ултрапрецизна сензорна технология, която може да се използва за подобряване на навигацията, медицината и астрономията.
"Точно както атомните часовници трансформираха навигацията и телекомуникациите, квантово-усъвършенстваните сензори с изключителна чувствителност биха могли да дадат възможност за създаване на цели нови индустрии", отбелязва д-р Кристофър Валаху.
Изследователите се надяват, че този пробив ще отвори вратата за разработването на по-ефективен инструментариум за квантово наблюдение.
Справка: Christophe H. Valahu et al. ,Quantum-enhanced multiparameter sensing in a single mode. Sci. Adv. 11, eadw9757(2025). DOI: 10.1126/sciadv.adw9757
Източници:
Breaking Physics? Scientists Defy Heisenberg Uncertainty Principle in Landmark Experiment, Christopher Plain, The Debrief
Sensing experiment bypasses Heisenberg’s uncertainty principle, cosmos magazine
Още по темата
Физика
Електрони, които действат като фотони, разкриват квантова тайна
Физика
90-годишна загадка на квантовите "китарни струни" е разрешена
Физика
Учени директно измерват "невъзможно" движение в нулева точка, което не може да бъде обяснено класически
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
helper68
Използването на смартфон в тоалетната е свързано с 46% по-висок риск от хемороиди
YKoshev
Доколко съвместими са минерално-суровинният отрасъл и чистата околна среда?
Козон
Мистериозен череп на гръцки хоминин е датиран на поне 286 000 години
Peter Petrov
След многократни експлозии нов тест за мегаракетата на Мъск