Принцип неопределенности Гейзенберга считается непреложной догмой квантовой механики: невозможно одновременно измерить положение и импульс частицы с абсолютной точностью. Тем не менее команда исследователей из Сиднейского университета нашла способ обойти этот фундаментальный ограничитель без нарушения физического закона, открыв новый подход к точным квантовым измерениям.
Статья в Science Advances описывает метод, при котором вместо прямого измерения полного положения и импульса физики фиксируют их модульные версии — частично усеченные показатели, которые содержат практически ту же информацию, но распределяют неопределенность «в пользу» исследователя. Такой подход позволяет сосредоточиться на мелких колебаниях и изменениях, важных для квантовых сенсоров, не теряя времени на глобальные параметры, которые для задач измерения менее значимы.
«Неопределенность в квантовом мире можно представить как воздух в шарике. Вы не можете просто убрать его, не разорвав шар, но можно сжать его так, чтобы сместить туда, где он нам не мешает. Мы именно так и поступили: переместили неизбежные колебания положения и импульса в большие, неважные для нас диапазоны, чтобы точнее фиксировать важные детали», — объяснил доктор Тингрей Тан.
Для наглядности исследователи приводят аналогию с часами. Представьте обычные часы с часовой и минутной стрелками. Если оставить только часовую стрелку, вы сможете примерно определить время по минутам, но точность будет невысокой. Точно так же в их эксперименте «лишние» колебания выводятся в менее важные области, а ключевую информацию измеряют с максимальной точностью.
«Если представить частицу как точку на линейке, мы не ищем ее точное место или скорость, а наблюдаем то, что дает полезную информацию о локальных изменениях», — объяснил Кристоф Валаху, ведущий автор исследования.
Эта техника особенно важна для квантовых датчиков, которые используют свойства квантовой системы для регистрации слабейших сигналов, например, магнитных полей, гравитационных колебаний или микроскопических изменений температуры.
Для практической проверки идеи команда построила инженерную квантовую систему, вдохновленную методами коррекции ошибок в квантовых вычислениях. Они показали, что можно измерять модульное положение и импульс захваченного иона внутри квантового компьютера с высокой точностью, различая реальные сигналы среди шумов, которые обычно мешают обработке данных.
«Квантовые вычисления и датчики — это две стороны одной медали: первые стараются устранить шум, вторые — выделить сигнал. Чем точнее сигнал, тем проще управлять шумом», — пояснил Валаху.
Метод не просто демонстрирует новый способ измерений, он открывает возможности для создания высокочувствительных квантовых сенсоров. Например, датчики, построенные на этом принципе, могут использоваться для навигации в условиях отсутствия GPS, точного мониторинга биомедицинских сигналов или наблюдения астрономических явлений, где слабые эффекты теряются на фоне шумов. Такой подход особенно перспективен в сочетании с квантовыми компьютерами, которые требуют тонкой настройки для обнаружения минимальных отклонений в системах с большим количеством кубитов.
Валаху подчеркнул, что идея модульных измерений основана на перераспределении информации. Вместо того чтобы фиксировать всю «глобальную картину» положения и импульса, система жертвует менее критичной информацией ради точного отслеживания локальных изменений. Это позволяет повысить чувствительность приборов без нарушения принципа неопределенности.
«Потенциал на самом деле у данного метода очень широк: от метрологических технологий — изучения точности измерений и новых стандартов калибровки приборов — до практического применения в медицине и геофизике»«Мы живем в момент, когда квантовые технологии развиваются невероятными темпами. Сейчас важно не только строить приборы, но и понимать, как использовать законы квантовой механики для извлечения максимально полезной информации. Возможности практически безграничны», — заключил Валаху.
Физики построили самый большой и точный квантовый компьютер на атомах
Ученые доказали, что квантовый мир можно расширить до наномасштаба
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram