В квантовой физике есть правило, про которое знают даже те, кто никогда не открывал учебник. Тем более его знают читатели моего канала, поскольку это база. Оно звучит просто. Нельзя измерить всё сразу и идеально точно.
Если вы точно знаете, где находится частица, вы почти ничего не знаете о том, как она движется и наоборот. Это фундаментальный закон природы, сформулированный ещё в 1927 году Вернер Гейзенбергом. Он получил название принципа неопределённости.
Долгое время казалось, что этот барьер непреодолим. Хотя и были всякие шуточки, про которые я тоже как-то писал (скажем, измерять одну и ту же частицу, но разными учёными, а потом соединить точные измерения), решения так и не находилось.
Неопределенность стала определенной?
Но относительно недавно группа физиков из Австралии и Великобритании показала, что если измерять "умнее", можно обойти часть ограничений так называемого стандартного квантового предела, не нарушая сам принцип Гейзенберга.
Принцип неопределённости часто формулируют так:
Чем точнее измерено положение частицы, тем менее точно известен её импульс
В реальных экспериментах это превращается в постоянный торг с природой. Физики выбирают, что именно им важнее измерить, и жертвуют точностью во всём остальном. Именно этот предел и называют стандартным квантовым пределом или максимальной точностью, достижимой обычными методами.
Но команда исследователей задала неожиданный вопрос: а что если не пытаться уменьшить неопределённость, а перераспределить её?
Руководитель работы доктор Тингрей Тан предложил очень наглядную аналогию:
Представьте неопределённость как воздух в воздушном шарике. Вы не можете убрать его совсем без повреждения самого шарика. Но вы можете сжать шар так, чтобы воздух сместился в другое место.
Именно это и сделали физики. Они сдвинули неизбежную квантовую неопределённость туда, где она не мешает и сместили в приближенные значения. А вот мелкие точные изменения, которые обычно тонут в квантовом шуме, стали различимы с поразительной точностью.
В чём смысл?
Чтобы объяснить идею широкой аудитории, учёные используют ещё одну метафору - простые часы. Если у часов только часовая стрелка, вы понимаете общий ход времени, но минуты определяете плохо. Если у часов только минутная стрелка, вы теряете информацию о часе, зато минуты знаете очень точно. Такое измерение называют модульным и вы сознательно отказываетесь от глобальной картины ради сверхточных локальных деталей. То есть минутная стрелка не покажет вам час, но час вы примерно представляете и без того. Зато минуты вы узнаете куда точнее, чем имея только часовую стрелку.
Именно эту стратегию исследователи перенесли в квантовый мир. Они пожертвовали подробной информацией о состоянии системы, чтобы одновременно точнее измерять малые изменения положения и импульса.
В лаборатории команда использовала одиночный захваченный ион, колеблющийся в ловушке. По сути, это квантовый аналог маятника - одна из самых чистых и контролируемых систем в современной физике.
Ключевым элементом стали так называемые "сетчатые состояния" - особые квантовые состояния, изначально придуманные для квантовых компьютеров с коррекцией ошибок. Они позволяют кодировать информацию так, чтобы шум меньше влиял на результат.
Используя этот подход, исследователи впервые экспериментально показали, что можно измерять положение и импульс одновременно значительно точнее стандартного квантового предела.
При этом принцип неопределённости Гейзенберга не был нарушен.
Экспериментаторы не пытались измерить, где частица находится и как она движется вообще. Они измеряли только незначительные изменения - насколько частица сдвинулась и насколько изменилась её скорость по сравнению с тем, что было секунду назад. Нельзя сказать, что это огромная точность, но этот подход позволил хотя бы начать говорить про одновременное измерение двух параметров сразу, пусть и в относительной логике. Опять же, обратимся к пояснению с примером часов.
Ход эксперимента
Сначала тот же самый ион, в той же ловушке и с теми же лазерами измеряли обычным способом и получили ровно ту точность, которую теория разрешает классическому квантовому измерению, а затем, не меняя оборудование, изменили только квантовое состояние частицы и стратегию считывания, после чего статистический разброс результатов при многократных повторах оказался меньше стандартного квантового предела именно для малых изменений положения и импульса.
Более того, когда исследователи отключали ключевые элементы новой схемы и возвращались к стандартным состояниям, преимущество полностью исчезало, что однозначно показывает - это не иллюзия прибора и не случайная флуктуация, а контролируемый эффект перераспределения квантовой неопределённости, допустимый квантовой механикой.
И, пожалуй. главный вопрос... А откуда мы вообще знаем, что точность была высока?
Как ученые вообще узнали, что точность стала выше?
Точность проверяли через заранее известный эталонный сигнал и статистику. Исследователи искусственно задавали иону строго контролируемые микроскопические сдвиги положения и импульса (известные по амплитуде и фазе, потому что они формировались теми же лазерами и электромагнитными полями), затем тысячи раз повторяли измерения и смотрели, насколько точно метод восстанавливает именно эти заранее известные изменения.
После этого полученный разброс ошибок напрямую сравнивался с теоретически рассчитанным стандартным квантовым пределом, вытекающим из принципа неопределённости Вернер Гейзенберга, и оказалось, что при новом протоколе дисперсия оценки малых сдвигов систематически меньше, чем разрешает стандартная схема, тогда как при возврате к обычным состояниям и измерениям точность снова точно совпадала с пределом, что однозначно подтверждает реальное повышение чувствительности, а не иллюзию или артефакт прибора.
Вроде всё просто, но почему так сделали только сейчас?
Вероятно вам кажется после прочтения этого "холодного" текста, что всё это мура. На самом деле нет. Мы часто жалуемся, что квантовая физика обычно "не от мира сего", а такие подходы приближают её к Ньютону. Следующий вопрос, который вы можете задать - а почему же тогда никто не додумался сделать такое раньше?
Тут нужно понимать логику формирования знания. Только в 2010-х стало понятно, что можно жертвовать глобальной информацией, чтобы выиграть в локальной чувствительности. Без этого математического понимания эксперимент выглядел бы как бессмысленная авантюра. А сама логика сформировалась на совсем новом математическом подходе.
При этом долгое время нельзя было достигнуть и существующего квантового предела. Все знали, что он есть, но часто дрожание лазера можно было принять за квантовую неопределенность. Тут же все факторы вдруг сошлись и удачно.
Хочется помочь проекту, но нет возможности купить премиум? Просто поставьте лайк 👍 и подписывайтесь на канал ✔️. Напишите комментарий и поделитесь статьёй с друзьями
⚡ Ещё больше интересного в моём Telegram