Фізики зробили значний прорив у розумінні квантового світу, продемонструвавши, як можна виміряти імпульс і положення частки одночасно, не порушуючи при цьому загальновідомий принцип невизначеності Гайзенберга. Це досягнення відкриває нові обрії для розвитку квантових технологій та сенсорів надвисокої чутливості.
Засади квантової механіки стверджують, що частки не мають фіксованих властивостей, як звичні нам об’єкти. Натомість вони існують у своєрідному «тумані можливостей» до моменту вимірювання. І коли певні характеристики вимірюються, інші стають невизначеними. Саме тут вступає в дію Принцип невизначеності Гайзенберга, названий на честь видатного німецького фізика-теоретика Вернера Гайзенберга, одного з основоположників квантової механіки. Цей принцип говорить, що неможливо одночасно знати точне положення частки та її точний імпульс. Вимірювання одного з цих параметрів неминуче впливає на невизначеність іншого, створюючи фундаментальне обмеження на наші знання про квантові системи.
Обхід обмежень завдяки “модулярним спостережуваним”
Проте нове дослідження, проведене фізиками в Австралії, зокрема в Сіднейському університеті – одному з найстаріших і найпрестижніших вишів Зеленого континенту – продемонструвало елегантний спосіб обійти це обмеження. Вчені показали, що, зосередившись на так званих “модулярних спостережуваних величинах”, вони можуть одночасно вимірювати як положення, так і імпульс частки.
«Ви не можете порушити принцип невизначеності Гайзенберга», – пояснює Крістоф Валаху, фізик із Сіднейського університету та провідний автор дослідження. «Те, що ми робимо, це зміщуємо невизначеність. Ми відкидаємо деяку інформацію, яка нам не потрібна, щоб ми могли виміряти те, що нас дійсно цікавить, з набагато більшою точністю».
Суть методу команди Валаху полягала в тому, щоб замість прямого вимірювання абсолютного імпульсу та положення, вимірювати модулярний імпульс та модулярне положення. Ці величини фіксують відносні зміни цих параметрів у межах фіксованого масштабу, а не їхні абсолютні значення.
«Уявіть, що у вас є лінійка. Якщо ви просто вимірюєте положення чогось, ви б прочитали, скільки сантиметрів пройшло, а потім скільки міліметрів після цього», – каже Валаху. «Але в модулярному вимірюванні вам не важливо, в якому сантиметрі ви знаходитесь. Вам важливо лише, скільки міліметрів від останньої позначки. Ви відкидаєте загальне місце розташування і просто відстежуєте невеликі зсуви».
Цей підхід, за словами Валаху, має велике значення для квантових сенсорів, де часто необхідно виявляти ледь помітні зміни, спричинені слабкими силами чи полями. Квантові сенсори використовуються для вловлювання сигналів, які звичайні прилади часто пропускають. Такий рівень точності може одного дня зробити наші навігаційні інструменти надійнішими, а годинники – ще точнішими.
Експеримент у лабораторії та його потенціал
У своїй лабораторії команда Валаху зосередилася на одному захопленому йоні – окремому зарядженому атомі, утримуваному на місці за допомогою електромагнітних полів. Йонна пастка – це пристрій, який використовується для утримання заряджених частинок, таких як йони, за допомогою комбінації електричних і магнітних полів. Вона дозволяє вченим маніпулювати окремими атомами та вивчати їхні квантові властивості з високою точністю, що є фундаментальним для багатьох експериментів у квантовій фізиці.
Використовуючи налаштовані лазери, вчені змусили йон перейти у так званий «сітчастий стан». У сітчастому стані хвильова функція йона розподіляється у вигляді серії рівномірно розташованих піків, схожих на позначки на лінійці. Невизначеність концентрується у проміжках між цими позначками. Дослідники використовували піки як опорні точки: коли невелика сила штовхає йон, весь сітчастий малюнок трохи зміщується. Невелике бічне зміщення піків проявляється як зміна положення, тоді як нахил сітчастого малюнка відображає зміну імпульсу. Оскільки вимірювання враховує лише зсуви відносно піків, зміни положення та імпульсу можна зчитувати одночасно.
Саме тут і виявляється сила. У фізиці сила – це те, що спричиняє зміну імпульсу з часом та зсув положення. Спостерігаючи за рухом сітчастого малюнка, дослідники виміряли крихітний поштовх, що діє на йон.
Сила близько 10 йоктоньютонів (10-23 ньютонів) не є світовим рекордом. Йоктоньютон – це надзвичайно мала одиниця сили, що дорівнює одній септильйонній частині ньютона, або 10-24 ньютонів. Для порівняння, сила тяжіння, що діє на одну молекулу води, становить близько 4 йоктоньютонів. «Люди перевершили це приблизно на два порядки, але вони використовують величезні кристали у дуже великих і дорогих експериментах», – розповів Валаху. «Ми схвильовані тому, що можемо досягти справді високої чутливості, використовуючи один атом у пастці, яка не є такою складною і певною мірою масштабована».
Хоча досягнута сила не є найнижчою, вона доводить, що вчені можуть отримати надзвичайну чутливість з дуже простих установок. Здатність виявляти крихітні зміни має широке значення для науки та технологій. Ультраточні квантові сенсори можуть покращити навігацію в місцях, де GPS не працює, наприклад, під водою, під землею або в космосі. Це також може покращити біологічну та медичну візуалізацію.
«Так само, як атомні годинники революціонізували навігацію та телекомунікації, квантові сенсори з надзвичайною чутливістю можуть відкрити двері для абсолютно нових галузей промисловості», – зазначив Валаху у своїй заяві.
